Organik Yarıiletkenler Grafen ve Silikonun Avantajlarını Birleştirebilir mi?

Grafenin Yarıiletken Potansiyelinin Kaçırılan Fırsatı

Graphene uzun süredir  mucize madde, olağanüstü özelliklere sahip olarak kabul ediliyor ve gelecek nesil yarıiletkenlerde rol oynayabilir. Mucize madde olarak algılanması, fiziksel özelliklerinden kaynaklanıyor; çelikten 200 kat daha güçlü ve elektron hareketliliği grafende silikondan 140 kat daha hızlı.

Kaynak: Visual Capitalist

İlk başta, grafeni inceleyen araştırmacılar, onun yarıiletkenlerde silikonu yerine geçebileceğini düşündüler. Ne yazık ki, “band gap” adı verilen kritik bir elektronik özelliği eksik.

Band gap, bir malzemenin metal (elektrik ileten), yalıtkan (elektriği engelleyen) ya da yarıiletken (iletkenlik ve yalıtkanlık arasında geçiş yapabilen) olarak sınıflandırılmasını belirler.

Kaynak: Energy Education

Problem, grafenin hiç band gap’e sahip olmaması, bu yüzden yarıiletken olarak kullanılmasını engellemesidir.

Bununla birlikte, başka bir malzeme tipi grafenle aynı elektron hareketliliğine sahip olabilir ancak yarıiletken özelliklerine uygun bir band gap gösterebilir. Bu malzeme organik bir polimer olarak adlandırılır.

Organik Yarıiletkenlerin İnşası

Grafeni bu kadar iletken yapan iki faktör vardır:

1. Temelde iki boyutlu bir malzemedir ve karbon atomlarından oluşan tamamen düz bir tek atomluk katman oluşturur.
2. Karbon hekzalarının arasındaki elektronlar, aromatik hidrokarbonlar olarak adlandırılan atomik yapılar arasında neredeyse serbestçe akabilir.

Kaynak: Britannica

Aromatik hidrokarbonlar doğada oldukça yaygındır, ancak grafenin 2D katmanı çok daha nadirdir. Bununla birlikte, birçok organik malzeme grafende eksik olan band gap’i gösterebilme potansiyeline sahiptir.

Güney Kore’nin Pohang Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden (POSTECH) Prof. Kimoon Kim, Prof. Ji Hoon Shim, Prof. Jun Sung Kim ve Dr. Yeongsang Lee, sıradan organik malzemeyi grafene benzer bir şeye dönüştürmenin bir yolunu aradılar.

Kaynak: POSTECH

Organik Polimerleri 2D Hale Getirme

Organik polimerlerin grafen gibi çalışmasını engelleyen, polimerizasyonları sırasında katmanlar arası yığının polimerin büyümesini engellemesidir.

Araştırmacılar, monomerlerin bağlanmasını engelleyen kimyasal gruplar (sterik engel) ekleyerek iki boyutlu polimer ara ürünlerin yığılmasını bastırabileceklerini buldular. Kullanılan organik polimer triazakoronendir.

Kaynak: POSTECH

Daha sonra polimer sentezine, yarıiletken üretiminde yaygın olarak kullanılan “p-tipi doping” adı verilen bir adım eklediler. Bu, bir yarıiletken malzemeye daha fazla iletkenlik kazandırmak için element eklemeyi ifade eder.

Kaynak: Wikipedia by VectorVoyager 

Elde edilen malzeme, araştırmacılar tarafından “olağanüstü elektriksel iletkenliğe” sahip olarak tanımlandı.

Organik Yarıiletkenlerin Büyük Potansiyeli

Bu başarı, organik yarıiletkenlerin çok düşük elektron hareketliliği sorununu çözüyor.

Ayrıca, bu malzemenin moleküler seviyede elektron ve delik iletim yollarını kontrol etmeyi kolaylaştırıyor; bu, transistör ve bilgisayar çipleri üretmek için gerekli bir adımdır.

Grafenin bir band gap’e “verilebileceği” de mümkündür; bu, makalemizde daha ayrıntılı olarak ele aldığımız bir başka yoldur: “Grafen Yarıiletkenleri – Sonunda Geldiler mi?”

Grafen yarıiletkenlerinin ve grafen benzeri özelliklere sahip organik yarıiletkenlerin potansiyeli, birçok olası uygulamaya sahip olabilir.

Tabii ki bu, fotonik yerine yarıiletken temelli hesaplamaya devam edersek geçerlidir; bu konu “Yarıiletkenleri İleri Taşıma – ‘Donut’ Işınları ‘Lego’ Bloklarına Dönüştürülerek Endüstri Yaklaşımlarını Sarsabilir mi?” ve “Kuantum Hesaplamanın Güncel Durumu” makalelerinde tartışılmıştır.

Yarıiletkenler

Silicon, fiziksel özellikleri nedeniyle bir sınıra ulaşırken, grafen benzeri iletkenlik organik yarıiletkenleri, Moore Yasası’nı geçerli tutmak için uygun bir ikame malzeme haline getirebilir; çünkü daha hızlı elektronlar daha hızlı bilgi işlem anlamına gelir.

Bu, iyileştirilmiş grafen ve Vanadyum dioksit gibi İzolatör‑Metal (IMT) malzemeleriyle birlikte organik malzemeyi, silikonu değiştirebilecek adaylar arasına ekler (bu yarıiletken teknolojisi gelişmeleri hakkında daha fazla bilgi için “Aktif Alt Tabakalar ve Nöromorfik Hesaplama ile Moore Yasası’na Ayak Uydurmak” makalesini okuyabilirsiniz).

Piller

Metalleri organik malzemelerle değiştirmeyi araştıran bir diğer sektör, elektrikli araçların ve yenilenebilir enerjinin patlamasıyla güç kazanan pil endüstrisidir.

Organik malzemeler grafen benzeri özellikler gösterebilirse, grafen pilleri için bir seçenek olabilir; bu, birçok olası EV pil kimyasından biridir ve “Mobilitenin Geleceği – Pil Teknolojisi” makalesinde tartıştık.

Yarıiletken Şirketleri

1. IBM

Bilgisayar, yarıiletken ve çip tasarımında tarihsel bir öncü olan International Business Machines Corporation (IBM ) (IBM), bilgisayar ve yarıiletken endüstrisindeki çoğu öncü yenilikte yer almıştır.

Bu, bu makalede tartışılan iletken organik malzemeleri içerirken, aynı zamanda nöromorfik hesaplama, kuantum hesaplama, fotonik ve diğerlerini de kapsar.

Intel (INTC ) ile birlikte, IBM, silikonsuz hesaplama ve geçmiş başarılarını yeniden yaratmayı hedefleyen yeni bilgisayar teknolojileri için en agresif şekilde çalışan şirketler arasındadır.

Bu durum, IBM’yi devasa Ar-Ge bütçesini ve araştırma ortakları ağını, grafen benzeri organik yarıiletkenler gibi keşifleri değerlendirmek için iyi bir konuma getiriyor.

2. ON Semiconductor Corporation

ON Semi, otomotiv dahil olmak üzere elektrikleştirme alanında uzmanlaşmış bir yarıiletken şirketidir; ayrıca güneş enerjisi, piller, uzay, telekomünikasyon, veri merkezleri ve tıp gibi diğer sektörlerde de faaliyet göstermektedir. Bu nedenle, dünyanın en büyük endüstri şirketlerinin birçok önemli ortağıdır.

Kaynak: ON Semi

ON Semi’nin teknolojik avantajının büyük bir kısmı, yüksek enerjili elektrik sistemlerinde kullanılan bir silikon‑karbon bileşiği olan silikon karbide dayanmaktadır. Bu, elektrikli araçların hızlı şarjı için gereken çok yüksek güç yüklerini özellikle mümkün kılar.

Silikon karbide, araştırmacıların yakın zamanda yarıiletken grafen geliştirmek için kullandığı kimyasaldır; bu konu makalemizde “Grafen Yarıiletkenleri – Sonunda Geldiler mi?” başlıklı bölümde ele alınmıştır.

ON Semi’nin silikon karbide odaklı stratejisi, şirketin son birkaç yılda EV devrimiyle desteklenen gelir artışı yaşamasına yol açtı.

ON Semi’nin silikon karbide ve genel olarak karbon kullanan yarıiletken konusundaki uzmanlığı, grafen ya da organik malzemelere dayalı yarıiletkenlerin endüstrileştirilmesinde değerli olabilir.

Bu arada, giderek daha güçlü ve verimli piller ve elektrik sistemlerine duyulan ihtiyaç, silikon karbideyi küresel tedarik zincirinde giderek daha önemli kılıyor. Sektör lideri olarak, ON Semi, özellikle EV’ler açısından, elektrikleşme trendinden büyük ölçüde fayda sağlayacaktır.

Son olarak, organik yarıiletkenlerin pil teknolojisinde uygulamaları olursa, ON Semi’nin sektördeki güçlü varlığı, bu teknolojiyi hayata geçirebilecek ilk şirketlerden biri olmasını sağlayabilir.