Mga Semiconductor na Graphene – Narito Na Ba Sila?

Sa kasalukuyan, ang mga semiconductor ang nagbibigay ng kapangyarihan sa modernong mundo. Sila ang gulugod ng mga elektronikong aparato, at isang pagtuklas ang naglalayong baguhin nang malaki ang industriya ng elektronika. 

Tinatawag din na microchips o integrated circuits (ICs), ang mga semiconductor ay mga materyales na may electrical conductivity na nasa gitna ng mga konduktor tulad ng aluminyo at tanso at mga insulator tulad ng keramika at salamin.

Ang mga semiconductor ay sensitibo sa liwanag at init, at nagbabago ang kanilang resistensya. Ang resistivity ng isang semiconductor ay bumababa habang tumataas ang temperatura, kabaligtaran ng pag-uugali ng mga metal.

Ilang halimbawa ng mga semiconductor ay silicon at germanium, na mga purong elemento at madaling matagpuan sa kalikasan. Mayroon ding mga compound tulad ng cadmium selenide at gallium arsenide. Bukod dito, upang baguhin ang conductivity o katangian ng mga materyales, nagdadagdag ng maliliit na halaga ng impurities sa mga purong semiconductor sa pamamagitan ng prosesong tinatawag na doping.

Kaya, depende sa kanilang kadalisayan, ang mga semiconductor ay hinahati sa — intrinsic semiconductor, na mga natural na materyales na binubuo ng iisang uri ng atom at maaaring direktang gamitin sa mga aparato, at extrinsic semiconductor, na kailangang i-dopeng muna bago magamit sa mga aparato. Ang pag-transform ng intrinsic semiconductor ay nagdudulot ng dalawang uri ng extrinsic semiconductor: N-type o donors at P-type o acceptors.

Ginagamit ang mga semiconductor para sa mga diode, na nagko-convert ng alternating current tungo sa direct transistors o current amplifiers, at mga electronic circuit, na mahalaga sa paggawa ng iba’t ibang uri ng elektronikong aparato.

Sa pamamagitan ng mga semiconductor, nakukuha natin ang benepisyo ng walang filament. Dahil dito, hindi na kailangang painitin ang mga ito upang maglabas ng mga electron. Ibig sabihin, maaaring agad na gamitin ang mga semiconductor. Bukod pa rito, maliit ang sukat nila; kaya compact, portable, at gumagamit ng mas kaunting enerhiya. Gayundin, hindi masyadong mahal ang mga semiconductor.

Ang mga semiconductor ay mahalagang bahagi ng ating buhay, dahil kung wala ito, wala tayong TV, radyo, kompyuter, smartphone, sasakyan, refrigerator, at video game. Sa pangkalahatan, pinapayagan ng mga semiconductor ang paglikha ng maliliit na switch na maaaring i-on at i-off upang kontrolin ang daloy ng kuryente, at ang kuryenteng ito na dumadaloy sa mga electrical circuit ay nagpapagana sa mga elektronikong aparato.

Ginagawa nitong mahalagang sangkap ng mga elektronikong aparato ang mga semiconductor upang mapabilis ang pag-unlad sa computing, komunikasyon, pangangalagang pangkalusugan, transportasyon, malinis na enerhiya, depensa, mga appliances, gaming hardware, at marami pang ibang aplikasyon.

Sa nakalipas na maraming dekada, ang mga pag-unlad sa teknolohiya ng semiconductor ay nagpataliwas sa mga elektronikong aparato na hindi lamang mas maliit kundi mas mabilis, mas sopistikado, mas compatible, at mas mapagkakatiwalaan.

Ang mga kumpanyang nagtatrabaho sa mga semiconductor ay karaniwang inaayos ang kanilang mga gawain ayon sa disenyo o paggawa. Ang mga nakatuon sa disenyo ay tinatawag na “fabless” na kumpanya, samantalang ang mga nakatuon lamang sa paggawa ay tinatawag na “foundries,” at ang mga gumagawa ng pareho ay tinatawag na Integrated Device Manufacturers, o IDMs.

Sa mga nakaraang taon, nagkaroon ng krisis sa semiconductor. Mula pa noong huling bahagi ng 2020, matapos ang pandemya at mga lockdown, habang tumataas ang pangangailangan para sa mga elektronikong aparato, nagkaroon ng kakulangan sa microchips at electronic circuit sa buong mundo.

Habang ang mga online na klase, remote work, at pagtaas ng digitalisasyon ay nagdulot ng napakalaking pagtaas sa pangangailangan ng mga elektronikong aparato, ang mga bagong teknolohikal na pag-unlad ay nagdala ng mga disruptive na teknolohiya tulad ng AI, VR, 5G, malalaking datos, at cloud services na lalo pang nagpalala sa sitwasyon.

Bilang tugon dito, ang mga kumpanya sa buong mundo ay nag-iinvest ng napakalaking halaga ng mga mapagkukunan upang makahanap ng solusyon sa problema.

Isang Malaking Pagtuklas: Ang Unang Functional na Graphene Semiconductor 

Ang gallium arsenide ay isang popular na semiconductor na ginagamit sa mga solar cell, laser diode, at microwave-frequency integrated circuit. Ang pinaka-karaniwang semiconductor na ginagamit ngayon, gayunpaman, ay Silicon, na may kritikal na papel sa paggawa ng karamihan ng mga elektronikong circuit. Ngunit ang materyal na ito ay dumarating na sa hangganan — nangangailangan ito ng malaking halaga ng enerhiya, kaya’t nagsusumikap ang mga siyentipiko na makahanap ng alternatibo.

At may isa pang elemento, ang graphene, na hindi itinuturing na semiconductor ngunit maaaring gamitin sa paggawa ng mga chip at circuit. Ito ay isang lubhang conductive na materyal na epektibong nagdidisipar ng init, na nagpapabuti sa performance ng mga elektronikong komponent. Mayroon din itong mas mataas na bilis at kahusayan sa enerhiya kumpara sa silicon nang hindi nangangailangan ng malaking halaga ng enerhiya, kaya napaka-kapaki-pakinabang nito sa paglikha ng mga elektronikong aparato.

Ang graphene ay isang napak manipis na materyal, isang atomong kapal na patong ng carbon na nakaayos sa hugis-hexagon, at ito ang pundasyon ng graphite. Sa kabila ng pagiging pinakamakapal na materyal na kilala ng tao, ito ay napakatibay (humigit-kumulang 200 beses na mas malakas kaysa sa bakal) at nababaluktot.

Hindi pa babanggitin, ang solong patong ng mga atomong carbon na ito ay mahusay na conductor ng init at kuryente at may ilang kawili-wiling kakayahan sa pagsipsip ng liwanag. Dahil dito, may potensyal ang materyal na ito na baguhin ang maraming aplikasyon, kabilang ang mga sensor, solar cell, baterya, at iba pa.

Gayunpaman, ang materyal ay hindi walang mga suliranin, kabilang ang napakagandang electrical conductivity ng graphene na nagpapahirap itong gamitin bilang semiconductor. Kailangan nito ng bandgap, na nagpapahintulot sa mga semiconductor na mag-on at mag-off, na karaniwang wala ito. Upang magpasok ng bandgap sa graphene, ang mga siyentipiko ay nag-fabricate ng graphene sa mga tiyak na hugis o gumamit ng iba pang 2D na materyales na may likas na bandgap kasama ang materyal ngunit nabigong makagawa ng viable na semiconducting graphene.

Habang nag-aaral ang mga siyentipiko ng graphene, kamakailan ay nagkaroon ng breakthrough kung saan ipinakita ng mga mananaliksik ang unang functional na graphene semiconductor, na nangangahulugang magbabago magpakailanman ang mundo ng computing at elektronika. Naabot ito sa pamamagitan ng pagtagumpayan ang balakid na nakakaapekto sa pananaliksik ng graphene sa loob ng maraming taon, pagkakaroon ng tamang bandgap na maaaring mag-on at mag-off sa tamang ratio — isang mahalagang yugto sa paggawa ng graphene chip-based electronics na maging realidad.

Ang graphene semiconductor na may bandgap ay hindi lamang functional kundi maaari ring maisama sa umiiral na mga proseso ng paggawa. Inilathala sa Nature sa unang linggo ng 2024, ipinakita ng pag-aaral ang isang functional na graphene semiconductor na maaaring magamit sa nanoelectronics.

Para dito, si Walter de Heer, isang propesor ng pisika sa Georgia Institute of Technology, ang namuno sa isang research group at nakipagtulungan sa Tianjin University ng Tsina. At sinabi niya:

“Mayroon na kami ngayon ng isang napakamatibay na graphene semiconductor na may sampung beses na mobility kumpara sa silicon, at may mga natatanging katangian na wala sa silicon. Ngunit ang kwento ng aming trabaho sa nakaraang sampung taon ay, ‘Maaari ba naming gawing sapat na maganda ang materyal na ito para gumana?'”

Sa maagang bahagi ng kanyang karera, sinimulan ni De Heer ang pag-aaral ng mga carbon-based na materyales bilang potensyal na mga semiconductor, pagkatapos ay lumipat sa 2D graphene mahigit dalawampung taon na ang nakalipas. Ang koponan ay “pinukaw ng pag-asa na maipakilala ang tatlong espesyal na katangian ng graphene sa elektronika” — isang napakamatibay na materyal, ang kakayahan nitong magdala ng napakalaking kasalukuyang, at magawa ito nang hindi umiinit at nabubuwag.

Naitamo ang breakthrough nang matuklasan ng koponan kung paano palakihin ang graphene sa silicon carbide wafers — na ginagamit sa mga elektronikong aparato at nagpapahintulot ng epektibong conversion ng enerhiya — sa pamamagitan ng paggamit ng mga espesyal na pugon pati na rin ng espesyal na proseso ng pag-init at paglamig.

Nagresulta ito sa epitaxial graphene, na isang patong na lumalaki sa kristal na mukha ng silicon carbide (isang matigas na kristalinong compound na naglalaman ng silicon at carbon), na kapag ginawa nang maayos, ay kimikal na kumakapit sa silicon carbide at nagpapakita ng mga katangiang semiconductor.

Upang makagawa ng functional na transistor, kailangang tiyakin ng koponan na hindi nasira ang mga katangian nito kapag in-manipula ang semiconducting material upang gumana bilang functional na transistor. Para dito, unang sinuri ng koponan kung ang materyal ay mahusay na konduktor at ginamit ang teknik na doping, at ito ay nagtagumpay nang hindi nasira ang materyal o ang mga katangian nito.

Ayon kay de Heer, ang paglipat sa silicon carbide wafers ay “medyo posibleng gawin.” Natuklasan ng pag-aaral na ang kanilang graphene semiconductor ay may mas malaking mobility kaysa sa silicon, ibig sabihin ang mga electron ay gumagalaw nang may napakababang resistensya. Sa elektronikong larangan, ito ay nangangahulugang mas mabilis na computing.

“Parang pagmamaneho sa isang daang may graba kumpara sa pagmamaneho sa isang freeway,” sabi ni de Heer. “Mas epektibo ito, hindi ito gaanong umiinit, at nagbibigay-daan sa mas mataas na bilis upang ang mga electron ay makagalaw nang mas mabilis.”

Rebolusyonaryong Pagsulong para sa Hinaharap na Elektronika

Pagkatapos ng sampung taong pananaliksik, natuklasan ng pinakabagong pag-aaral kung paano palakihin ang graphene sa mga espesyal na silicon carbide chip. Binago ng koponan ang mga kemikal na katangian ng graphene upang makamit ang kanais-nais na estruktura upang ang graphene ay kumilos tulad ng isang mataas na kalidad na semiconductor.

Sa pagtalakay sa paggawa ng graphene electronics, binigyang-diin ni de Heer:

“Kinailangan naming matutunan kung paano tratuhin ang materyal, kung paano ito paghusayin nang higit pa, at sa huli, kung paano sukatin ang mga katangian. Tumagal ito ng napaka-mahabang panahon.”

Sa kasalukuyan, ang semiconductor ay dalawang-dimensional (2D) lamang na may lahat ng kinakailangang katangian upang magamit sa nanoelectronics. Ang mga electrical property nito ay higit na mas superior kumpara sa iba pang dalawang-dimensional na semiconductor na kasalukuyang pinag-aaralan. Naniniwala ang mga eksperto na ang pagtuklas na ito ay maaaring ganap na baguhin ang mukha ng industriya ng elektronikong sa pamamagitan ng paglikha ng mga bagong, makapangyarihang graphene semiconductor na gumagamit ng mas kaunting enerhiya kaysa sa silicon.

“Ang pananaliksik na ito ay hindi lamang nagpapanatili ng kamangha-manghang katatagan ng graphene kundi nagpakilala rin ng mga bagong katangiang elektronik, na nagbubukas ng daan para sa mga chip na batay sa graphene,” pahayag ng Science and Technology Daily na nakabase sa Beijing.

Ang mga elektronikong batay sa graphene ay mas epektibo dahil kailangan nila ng mas kaunting kapangyarihan upang mag-on at mag-off, at bukod pa rito, maaaring dumaloy ang mga electron nang hindi naglalabas ng init na kailangang palamigin pa ng karagdagang enerhiya. Ibig sabihin, “maaaring tumagal ang mga telepono ng ilang linggo nang hindi nauubos ang baterya, mababawasan ang konsumo ng enerhiya sa lahat ng aspeto ng ating buhay, mababawasan ang gastos at polusyon mula sa fossil fuels,” sabi ni Sarah Haigh, propesor ng materyales sa National Graphene Institute ng UK, University of Manchester, sa isang panayam.

Maaaring magbukas ito ng daan para sa mga chip na magpapagana sa mas advanced na personal computers at quantum computers sa hinaharap.

Ayon sa mga mananaliksik sa pag-aaral, ang mga electron sa alternatibong silicone na ito, katulad ng liwanag, ay may mga katangiang kahawig ng quantum mechanical waves. Ang mga katangiang ito ay maaaring magamit nang maayos sa napakababang temperatura. Plano ng mga mananaliksik na tuklasin ito sa susunod na pananaliksik.

Pinapayagan ng epitaxial graphene ang mga electron na gumalaw nang may mas kaunting resistensya, na nangangahulugang ang mga transistor na ginawa sa ganitong paraan ay maaaring mag-operate sa terahertz frequencies. Nakakatulong ito na lampasan ang mga limitasyon ng silicon, kabilang ang bilis ng pag-on at pag-off ng mga transistor, ang pinakamaliit na laki na maaaring gawin, at ang init na nalilikha.

Sa ganitong paraan, ang bagong materyal ay maaaring magdulot ng paradigm shift sa larangan ng elektronikong, na nagpapahintulot sa paggamit ng mga quantum mechanical wave properties ng electron, isang pangangailangan para sa quantum computing. Isang malaking hakbang patungo sa susunod na henerasyon ng computing, ito ay maaaring magbukas ng mga pintuan sa isang bagong paraan ng paggawa ng elektronikong mas maliit at mas mabilis.

Ayon kay de Heer, hindi lamang ito tungkol sa kakayahan ng graphene na “gawing mas maliit at mas mabilis ang mga bagay at may mas kaunting paglabas ng init” kundi pati na rin ang paggamit ng “mga katangian ng mga electron na hindi naaabot sa silicon,” na naglalahad ng “isang paradigm shift—iba ang paraan ng paggawa ng elektronikong ito.”

Ibig sabihin, isang bagong henerasyon ng elektronikong ay malapit nang dumating. Sa mahabang panahon, nangunguna ang silicon sa elektronikong, na isang hakbang sa itaas ng vacuum tubes, na sumunod sa mga wire at telegrapo, at ngayon ay ang graphene ang susunod na mangunguna.

“Para sa akin, ito ay parang sandali ng mga Wright brothers,” sabi ni de Heer. “Nagtayo sila ng eroplano na kayang lumipad ng 300 talampakan sa hangin. Ngunit tinanong ng mga skeptiko kung bakit kailangan ng mundo ng paglipad kung mayroon nang mabilis na tren at bangka. Ngunit nagpatuloy sila, at ito ang simula ng isang teknolohiya na maaaring magdala ng mga tao sa kabila ng mga karagatan.”

Bukod pa rito, maaari itong i-scale. Dati, ipinakita ng graphene ang pangako bilang isang semiconductor, ngunit sa maliit na sukat lamang. Ang pag-upscale ng mga graphene semiconductor sa praktikal na laki ng computer chip ay naging hamon. Gayunpaman, ang pinakabagong breakthrough ay gumamit ng proseso na kahalintulad ng mga teknik na ginagamit sa paggawa ng silicon chip at compatible sa tradisyunal na mga pamamaraan ng pagproseso ng microelectronics, na ginagawang mas posibleng i-scale up.

Gumamit ang pananaliksik ng mga wafer, na ayon kay David Carey mula sa University of Surrey ng UK, ay “talagang, tunay na scalable,” at ang teknolohiyang ginagamit ng industriya ng semiconductor sa kasalukuyan ay maaaring gamitin upang “i-scale up ang prosesong ito.”

Gayunpaman, kailangang makita kung ang pinakabagong graphene semiconductor ay talagang mas mahusay kaysa sa kasalukuyang superconducting technology. Bukod pa rito, para lumipat ang mundo sa mga graphene chip, kailangang pagbutihin pa ang pananaliksik hinggil sa kalidad, sukat, at mga teknik sa paggawa. Ibig sabihin, ito ay magiging mahabang paglalakbay, at maaaring tumagal ng higit sa isang dekada upang ganap na maisakatuparan ang industriyal na implementasyon ng mga graphene semiconductor.

I-click dito para sa listahan ng sampung pinakamahusay na stock ng semiconductor equipment.