האם מוליכים למחצה אורגניים יכולים לשלב את היתרונות של גרפן וסיליקון?

פוטנציאל החמצה של המוליך למחצה של גרפן

גרפן נחשב מזמן ל- a חומר פלא, בעל מאפיינים יוצאי דופן שעשוי למלא תפקיד במוליכים למחצה מהדור הבא. תפיסתו כחומר פלא היא רב-שכבתית בשל המאפיינים הפיזיים שלו, שכן הוא חזק פי 200 מפלדה, וניידות האלקטרונים שלו מהירה פי 140 בגרפן מאשר בסיליקון.

מקור: חזותית חזותית

בתחילה, חוקרים שחקרו את הגרפן חשבו שהוא יכול להחליף סיליקון במוליכים למחצה. לרוע המזל, הוא מפספס תכונה אלקטרונית מרכזית הנקראת "פער להקה".

פער פס הוא זה שקובע אם חומר ייחשב למתכת (מוליך חשמל), מבודד (חוסם חשמל) או מוליך למחצה (שיכול לעבור בין מוליך למבודד).

מקור: חינוך לאנרגיה

הבעיה היא שלגרפן אין פער פס בכלל, מה שמונע את השימוש בו כמוליך למחצה.

עם זאת, סוג חומר אחר יכול להיות בעל ניידות אלקטרונים זהה לגרפן אך להציג פער פס התואם ליכולות של מוליכים למחצה. חומר זה נקרא פולימר אורגני.

בניית מוליכים למחצה אורגניים

מה שהופך את הגרפן לכל כך מוליך הם שני גורמים:

1. זהו בעצם חומר דו מימדי, היוצר שכבה מונואטומית שטוחה לחלוטין של אטומי פחמן.
2. האלקטרונים בין המשושים של הפחמן יכולים לזרום כמעט בחופשיות בין המבנים האטומיים הנקראים פחמימנים ארומטיים.

מקור: בריטניקה

פחמימנים ארומטיים הם למעשה נפוצים מאוד בטבע, אבל השכבה הדו-ממדית של גרפן היא הרבה יותר נדירה. עם זאת, לחומרים אורגניים רבים יש פוטנציאל להציג את פער הרצועות שחסר בגרפן.

חוקרים מאוניברסיטת פוהאנג למדע וטכנולוגיה בדרום קוריאה (POSTECH) Pr. Kimoon Kim, Pr. Ji Hoon Shim, Pr. ג'ון סונג קים וד"ר יונגסאנג לי חיפשו דרך להפוך חומר אורגני רגיל למשהו הדומה לגרפן.

מקור: POSTECH

הכנת פולימרים אורגניים דו מימדיים

מה שמונע מפולימרים אורגניים לעבוד כגרפן הוא שבמהלך הפילמור שלהם, ערימה בין-שכבתית חוסמת את צמיחת הפולימר.

החוקרים מצאו שעל ידי הוספת קבוצות כימיות החוסמות את ההתקשרות של מונומרים (מכשול סטרי), הם יכולים לדכא את הערימה של תוצרי ביניים פולימרים דו-ממדיים. הפולימר האורגני בו נעשה שימוש היה טריאזקורונן.

מקור: POSTECH

לאחר מכן הם הוסיפו לסינתזת הפולימר שלב שנקרא סימום מסוג p, בשימוש נפוץ בייצור של מוליכים למחצה. זה מתייחס להוספת אלמנטים לחומר מוליכים למחצה כדי להפוך אותו אפילו יותר מוליך.

מקור: ויקיפדיה מאת VectorVoyager 

החומר שהתקבל תואר על ידי החוקרים כבעל "מוליכות חשמלית יוצאת דופן".

הפוטנציאל האדיר של מוליכים למחצה אורגניים

הישג זה פותר את הנושא של מוליכים למחצה אורגניים בעלי ניידות אלקטרונית נמוכה מדי.

זה גם מקל על השליטה במסלולי ההולכה של אלקטרונים וחורים ברמה המולקולרית, צעד הכרחי לייצור טרנזיסטורים ושבבי מחשוב מחומר זה.

ייתכן גם שניתן "לתת" לגרפן פער להקה, נתיב נוסף נחקר בפירוט נוסף במאמר שלנו "מוליכים למחצה גרפן - האם הם סוף סוף כאן?".

גם לפוטנציאל של מוליכים למחצה גרפן וגם של מוליכים למחצה אורגניים עם מפרט דמוי גרפן יכולים להיות יישומים אפשריים רבים.

כמובן שזה רק אם נמשיך לחשב על סמך מוליכים למחצה, במקום פוטוניקה כפי שנדון ב"קידום מוליכים למחצה – האם ניתן להגדיר קורות 'סופגנייה' לקוביות 'לגו' כדי לשפר את גישות התעשייה?" או מחשוב קוונטי כפי שנדון ב"המצב הנוכחי של מחשוב קוונטי".

סמיקונדקטורס

בעוד שהסיליקון מגיע לגבול בשל המאפיינים הפיזיקליים שלו, מוליכות דמוית גרפן יכולה להפוך מוליכים למחצה אורגניים לחומר תחליף בר-קיימא כדי לשמור על תוקף חוק מור, מכיוון שהאלקטרונים המהירים יותר הופכים למחשוב מהיר יותר.

זה מוסיף חומר אורגני למועמדים להחלפת סיליקון, יחד עם גרפן משופר ומבודד למתכת (IMT) כמו ונדיום דו חמצני (תוכלו לקרוא עוד על התקדמות טכנולוגית מוליכים למחצה ב"שמירה על קצב חוק מור עם מצע פעיל ומחשוב נוירומורפי").

סוללות

תעשיה נוספת שבודקת שימוש בחומרים אורגניים להחלפת מתכות היא תעשיית הסוללות, הנטענת על ידי הפריחה של רכבי רכב חשמליים ואנרגיה מתחדשת.

אם חומרים אורגניים יכולים להציג תכונות דמויות גרפן, הם יכולים להיות אופציה עבור סוללות גרפן, אחת מהכימיה האפשרית של סוללות EV, עליהן דנו ב"עתיד הניידות - Battery Tech".

חברות מוליכים למחצה

1. יבמ

חלוצה היסטורית בתחום המחשוב, מוליכים למחצה ועיצוב שבבים, International Business Machines Corporation (IBM) נכחה ברוב החידושים המתקדמים בתחום המחשוב ובתעשיית המוליכים למחצה.

זה כולל הולכת חומרים אורגניים כפי שנדון במאמר זה, אבל גם מחשוב נוירומורפי, מחשוב קוונטי, פוטוניקס, וכו '

יחד עם אינטל, IBM היא בין החברות הדוחפות בצורה האגרסיבית ביותר לצורות חדשות של טכנולוגיות מחשוב, ומחפשות לשכפל מחשוב שאינו מסיליקון והצלחותיו בעבר.

זה מציב את IBM בעמדה טובה למנף את תקציב המו"פ העצום שלה ואת רשת שותפי המחקר שלה כדי לנצל תגליות כמו מוליכים למחצה אורגניים דמויי גרפן.

2. תאגיד ON Semiconductor

ON Semi היא חברת מוליכים למחצה המתמחה בחשמל, כולל בתחום הרכב, אבל גם במגזרים אחרים כמו אנרגיה סולארית, סוללות, תעופה וחלל, טלקומוניקציה, מרכזי נתונים ורפואה. ככזה, היא שותפה מרכזית עבור רבות מהחברות התעשייתיות הגדולות בעולם.

מקור: ON חצי

חלק גדול מהיתרון הטכנולוגי של ON Semi מבוסס על סיליקון קרביד, סוג של תרכובת סיליקון-פחמן המשמשת למערכות חשמליות עתירות אנרגיה. הם מאפשרים במיוחד עומסי הספק גבוהים מאוד הנדרשים לטעינה מהירה של EVs.

סיליקון קרביד הוא הכימיקל ששימש לאחרונה חוקרים לפיתוח גרפן מוליך למחצה, כפי שנדון במאמר שלנו "מוליכים למחצה גרפן - האם הם סוף סוף כאן?".

האסטרטגיה של ON Semi להכפיל את הסיליקון קרביד הובילה לכך שהחברה חוותה זינוק בהכנסות בשנים האחרונות, הנישאת על ידי מהפכת EV.

המומחיות של ON Semi בסיליקון קרביד ובאופן כללי מוליכים למחצה המשתמשים בפחמן עשויה להיות חשובה בתיעוש מוליכים למחצה המבוססים על גרפן או חומרים אורגניים.

בינתיים, הצורך בסוללות ומערכות חשמליות חזקות ויעילות יותר, סיליקון קרבידים, הופכים חשובים יותר ויותר בשרשרת האספקה ​​העולמית. כמובילה בתחום, ON Semi ככל הנראה תפיק תועלת רבה ממגמת החשמול, במיוחד מכוניות חשמליות.

לבסוף, ייתכן גם שאם למוליכים למחצה אורגניים יש יישומים בטכנולוגיית סוללות, הנוכחות החזקה של ON Semi במגזר יכולה לעזור לה להיות אחת החברות הראשונות בעמדה לפרוס את הטכנולוגיה הזו.