Chất bán dẫn hữu cơ có thể kết hợp lợi ích của Graphene và Silicon không?

Tiềm năng chất bán dẫn của graphene bị bỏ lỡ

Graphene từ lâu đã được coi là một vật liệu kỳ diệu, với những đặc tính đặc biệt có thể đóng một vai trò trong chất bán dẫn thế hệ tiếp theo. Nhận thức về nó như một vật liệu kỳ diệu được nhân rộng nhờ các đặc tính vật lý của nó, vì nó mạnh hơn thép 200 lần và khả năng di chuyển của electron trong graphene nhanh hơn 140 lần so với silicon.

Nguồn: Visual Capitalist

Lúc đầu, các nhà nghiên cứu về graphene nghĩ rằng nó có thể thay thế silicon trong chất bán dẫn. Thật không may, nó thiếu một tính năng điện tử quan trọng được gọi là “khoảng cách băng tần”.

Khoảng cách dải tần là yếu tố quyết định liệu một vật liệu sẽ được coi là kim loại (dẫn điện), chất cách ly (chặn điện) hay chất bán dẫn (có thể chuyển đổi giữa chất dẫn điện và chất cách điện).

Nguồn: Giáo dục năng lượng

Vấn đề là graphene hoàn toàn không có vùng cấm, ngăn cản việc sử dụng nó làm chất bán dẫn.

Tuy nhiên, một loại vật liệu khác có thể có độ linh động điện tử tương tự như graphene nhưng hiển thị khoảng trống tương thích với khả năng bán dẫn. Vật liệu này được gọi là polymer hữu cơ.

Xây dựng chất bán dẫn hữu cơ

Điều làm cho graphene có tính dẫn điện tốt là do hai yếu tố:

1. Về cơ bản, nó là một vật liệu 2D, tạo thành một lớp nguyên tử cacbon đơn sắc phẳng hoàn hảo.
2. Các electron giữa các hình lục giác của cacbon có thể di chuyển gần như tự do giữa các cấu trúc nguyên tử gọi là hydrocacbon thơm.

Nguồn: Anh

Hydrocacbon thơm thực ra rất phổ biến trong tự nhiên, nhưng lớp graphene 2D thì hiếm hơn rất nhiều. Tuy nhiên, nhiều vật liệu hữu cơ có khả năng biểu hiện vùng cấm bị thiếu ở graphene.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Pohang (POSTECH) của Hàn Quốc Pr. Kimoon Kim, Pr. Ji Hoon Shim, Pr. Jun Sung Kim và Tiến sĩ Yeongsang Lee đã tìm cách biến vật liệu hữu cơ thông thường thành thứ tương tự như graphene.

Nguồn: POSTECH

Chế tạo polyme hữu cơ 2D

Điều ngăn cản các polyme hữu cơ hoạt động như graphene là trong quá trình trùng hợp, sự xếp chồng giữa các lớp sẽ ngăn cản sự phát triển của polyme.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng bằng cách bổ sung các nhóm hóa học ngăn chặn sự gắn kết của các monome (cản trở không gian), họ có thể ngăn chặn sự xếp chồng của các chất trung gian polyme hai chiều. Polyme hữu cơ được sử dụng là triazacoronene.

Nguồn: POSTECH

Sau đó, họ thêm vào quá trình tổng hợp polyme một bước gọi là doping loại p, thường được sử dụng trong sản xuất chất bán dẫn. Điều này đề cập đến việc thêm các phần tử vào vật liệu bán dẫn để làm cho nó dẫn điện tốt hơn.

Nguồn: Wikipedia bởi VectorNgười du hành 

Vật liệu thu được được các nhà nghiên cứu mô tả là có “tính dẫn điện vượt trội”.

Tiềm năng to lớn của chất bán dẫn hữu cơ

Thành tựu này giải quyết được vấn đề chất bán dẫn hữu cơ có độ linh động điện tử quá thấp.

Nó cũng giúp việc kiểm soát đường dẫn điện tử và lỗ trống ở cấp độ phân tử trở nên dễ dàng hơn, một bước cần thiết để chế tạo bóng bán dẫn và chip điện toán từ vật liệu này.

Cũng có khả năng graphene có thể được “cung cấp” một khoảng trống dải, một con đường khác được khám phá chi tiết hơn trong bài viết của chúng tôi “Chất bán dẫn graphene – Cuối cùng chúng có ở đây không?".

Cả tiềm năng của chất bán dẫn graphene và chất bán dẫn hữu cơ có thông số kỹ thuật giống graphene đều có thể có nhiều ứng dụng khả thi.

Tất nhiên điều đó chỉ xảy ra nếu chúng ta tiếp tục tính toán dựa trên chất bán dẫn, thay vì quang tử như đã thảo luận trong “Cải tiến chất bán dẫn – Liệu các chùm tia 'Donut' thành các khối 'Lego' có thể được thiết lập để nâng cao các phương pháp tiếp cận của ngành không?” hoặc điện toán lượng tử như đã thảo luận trong “Hiện trạng điện toán lượng tử".

Chất bán dẫn

Trong khi silicon đang đạt đến giới hạn do các đặc tính vật lý của nó, thì độ dẫn điện giống graphene có thể làm cho chất bán dẫn hữu cơ trở thành vật liệu thay thế khả thi để giữ cho định luật Moore có hiệu lực, vì các electron nhanh hơn chuyển đổi thành khả năng tính toán nhanh hơn.

Điều này bổ sung thêm vật liệu hữu cơ cho các ứng cử viên thay thế silicon, cùng với graphene cải tiến và Chất cách điện thành kim loại (IMT) như vanadi dioxide (bạn có thể đọc thêm về những tiến bộ công nghệ bán dẫn này trong “Theo kịp định luật Moore với các chất nền hoạt động và tính toán mô phỏng thần kinh").

pin

Một ngành công nghiệp khác đang xem xét sử dụng vật liệu hữu cơ để thay thế kim loại là ngành công nghiệp pin, được cung cấp năng lượng nhờ sự bùng nổ của xe điện và năng lượng tái tạo.

Nếu vật liệu hữu cơ có thể biểu hiện các đặc tính giống như graphene, thì chúng có thể là một lựa chọn cho pin graphene, một trong nhiều chất hóa học tiềm năng của pin EV mà chúng ta đã thảo luận trong “Tương lai của tính di động – Công nghệ pin".

Công ty bán dẫn

1. IBM

Là người tiên phong trong lịch sử về điện toán, chất bán dẫn và thiết kế chip, International Business Machines Corporation (IBM) đã có mặt trong hầu hết các cải tiến tiên tiến trong ngành điện toán và ngành bán dẫn.

Điêu nay bao gôm dẫn vật liệu hữu cơ như đã thảo luận trong bài viết này, nhưng cũng tính toán neuromorphic, Tính toán lượng tử, lượng tử ánh sáng, Vv

Cùng với Intel, IBM là một trong những công ty tích cực thúc đẩy các dạng công nghệ điện toán mới, tìm cách tái tạo điện toán phi silicon và những thành công trong quá khứ của nó.

Điều này đặt IBM vào vị thế tốt để tận dụng ngân sách R&D khổng lồ và mạng lưới các đối tác nghiên cứu để khai thác những khám phá như chất bán dẫn hữu cơ giống graphene.

2. Công Ty Cổ Phần Bán Dẫn ON

ON Semi là công ty bán dẫn chuyên về điện khí hóa, bao gồm cả ô tô mà còn trong các lĩnh vực khác như năng lượng mặt trời, pin, hàng không vũ trụ, viễn thông, trung tâm dữ liệu và y tế. Vì vậy, đây là đối tác quan trọng của nhiều công ty công nghiệp lớn nhất thế giới.

Nguồn: TRÊN bán

Phần lớn lợi thế công nghệ của ON Semi dựa trên cacbua silic, một loại hợp chất silicon-cacbon được sử dụng cho hệ thống điện năng lượng cao. Đặc biệt, chúng cho phép tải công suất rất cao cần thiết để sạc nhanh cho xe điện.

Cacbua silic là hóa chất được các nhà nghiên cứu sử dụng gần đây để phát triển graphene bán dẫn, như đã thảo luận trong bài viết của chúng tôi “Chất bán dẫn graphene – Cuối cùng chúng có ở đây không?".

Chiến lược tăng gấp đôi lượng silicon cacbua của ON Semi đã giúp công ty đạt được doanh thu tăng đột biến trong vài năm qua nhờ cuộc cách mạng xe điện.

Chuyên môn của ON Semi về cacbua silic và các chất bán dẫn nói chung sử dụng carbon có thể rất hữu ích trong việc công nghiệp hóa chất bán dẫn dựa trên graphene hoặc vật liệu hữu cơ.

Trong khi đó, nhu cầu về hệ thống điện và pin mạnh mẽ và hiệu quả hơn bao giờ hết, cacbua silic, ngày càng trở nên quan trọng trong chuỗi cung ứng toàn cầu. Với tư cách là công ty dẫn đầu trong lĩnh vực này, ON Semi có thể sẽ được hưởng lợi rất nhiều từ xu hướng điện khí hóa, đặc biệt là xe điện.

Cuối cùng, cũng có thể nếu chất bán dẫn hữu cơ có ứng dụng trong công nghệ pin, thì sự hiện diện mạnh mẽ của ON Semi trong lĩnh vực này có thể giúp họ trở thành một trong những công ty đầu tiên triển khai công nghệ này.