Onderzoekers zetten steenkool om in hoogzuivere materialen voor elektronische apparaten van de volgende generatie

Hier worden twee monsters getoond van memristor-bevattende wafers gemaakt van hoogwaardige 2D-koolstof verwerkt uit saffier-bitumineuze steenkool gewonnen in het zuidoosten van Kentucky. Bron: Grainger School of Engineering, Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign

Steenkool zou een belangrijke rol kunnen spelen in de volgende generatie elektronische apparaten, blijkt uit een gezamenlijk onderzoek van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, het National Energy Technology Laboratory, Oak Ridge National Laboratory en de Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC).

"Mensen beschouwen steenkool vaak als dom en vies, maar de verwerkingstechnologie die we hebben ontwikkeld kan steenkool omzetten in zeer zuivere materialen die slechts een paar atomen dik zijn", zegt Qing Cao, professor aan de afdeling Materials Science and Engineering aan de Universiteit van Illinois en medeleider van de samenwerking. "Hun unieke atomaire structuur en eigenschappen zijn ideaal voor het maken van enkele van de kleinste elektronische apparaten die beter presteren dan de modernste technologie."

Een door NETL ontwikkeld proces zet steenkool eerst om in koolstofschijven op nanoschaal, ‘carbon dots’ genaamd, die de I.U. Het team dat heeft aangetoond, kan aan elkaar worden gekoppeld om atomair dunne films te vormen voor toepassingen in tweedimensionale transistors en memristors, technologieën die cruciaal zijn voor het bouwen van meer geavanceerde elektronische apparaten. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Communications Engineering.

Perfecte 2D-elektronica

In de voortdurende zoektocht naar kleinere, snellere en efficiëntere elektronische apparaten zal de laatste stap het maken van apparaten zijn met materialen die slechts één of twee atomen dik zijn. De grootte van het apparaat kan niet kleiner zijn dan deze limiet, en een klein formaat zorgt er vaak voor dat het sneller werkt en minder energie verbruikt. Hoewel ultradunne halfgeleiders uitgebreid zijn bestudeerd, zijn voor het bouwen van werkende elektronische apparaten zoals transistors en memristors ook atomair dunne isolatoren nodig: materialen die de stroom van elektriciteit blokkeren.

Dunne lagen koolstof op atomaire schaal met een ongeordende atomaire structuur kunnen dienen als uitstekende isolatoren voor het bouwen van tweedimensionale apparaten. Samenwerkende onderzoekers hebben aangetoond dat deze koolstoflaag kan worden gevormd uit koolstofstippen die uit steenkool worden gewonnen. Om hun capaciteiten te demonstreren, ontwikkelde het team van de Universiteit van Illinois onder leiding van Cao twee tweedimensionale apparaten.

"Dit is echt spannend omdat het de eerste keer is dat zoiets als steenkool, dat we gewoonlijk als low-tech beschouwen, direct gekoppeld is aan de allernieuwste technologie in de micro-elektronica", zei Cao.

transistor diëlektricum

Het onderzoeksteam gebruikte een van steenkool afkomstige koolstoflaag als poortdiëlektricum in tweedimensionale transistors op basis van halfmetaalgrafeen of de halfgeleider molybdeendisulfide, waardoor het apparaat meer dan twee keer zo snel kon werken terwijl het minder energie verbruikt. Net als andere atomair dunne materialen hebben van steenkool afkomstige koolstoflagen geen ‘hangende bindingen’, of elektronen die niet geassocieerd zijn met chemische bindingen. Er zijn een groot aantal van deze locaties op het oppervlak van traditionele driedimensionale isolatoren. Ze veranderen de elektrische eigenschappen van de isolator door effectief te functioneren als "traps", waardoor de transmissiesnelheid van mobiele ladingen wordt vertraagd, waardoor de schakelsnelheid van de transistor wordt verminderd.

In tegenstelling tot andere atomair dunne materialen zijn de nieuwe steenkoollagen echter amorf, wat betekent dat ze geen regelmatige kristalstructuur hebben. Als gevolg hiervan zijn er geen grenzen tussen verschillende kristallijne gebieden, en deze grenzen zijn geleidingspaden die leiden tot "lekkage", waarbij ongewenste stroom door de isolator vloeit en een aanzienlijk extra energieverbruik veroorzaakt tijdens de werking van het apparaat.

transistor gloeidraad

Een andere toepassing die door het team wordt overwogen is memristor: een elektronische component die gegevens zowel kan opslaan als manipuleren, wat de implementatie van kunstmatige intelligentietechnologie aanzienlijk zou kunnen vergemakkelijken. Deze apparaten slaan gegevens op en vertegenwoordigen deze door een elektrochemische reactie tussen een paar elektroden te moduleren om een ​​geleidend filament te vormen, met daartussen een isolator.

De onderzoekers ontdekten dat het gebruik van een ultradunne laag van steenkool afkomstige koolstof als isolator snel dergelijke geleidende filamenten met lage energie zou kunnen vormen, waardoor het apparaat op hogere snelheden met een lager vermogen zou kunnen werken. Bovendien beperken de ringen van atoomgrootte in deze van steenkool afkomstige koolstoflagen de filamenten, waardoor de herhaalbaarheid van apparaatoperaties wordt verbeterd, waardoor de betrouwbaarheid en betrouwbaarheid van gegevensopslag wordt vergroot.

Van onderzoek tot productie

Het nieuw ontwikkelde apparaat biedt proof-of-principle voor het gebruik van uit steenkool afkomstige koolstoflagen in tweedimensionale apparaten. Het enige dat overblijft is bewijzen dat het apparaat op grote schaal kan worden vervaardigd.

"De halfgeleiderindustrie, inclusief onze medewerkers bij Taiwan Semiconductor Corporation, is zeer geïnteresseerd in de mogelijkheden van 2D-apparaten, en we werken er hard aan om deze belofte waar te maken", aldus Cao. "II University zal de komende jaren met NETL blijven samenwerken om een ​​op steenkool gebaseerd productieproces voor koolstofisolatoren te ontwikkelen dat in een industriële omgeving kan worden geïmplementeerd."

Samengestelde bron: ScitechDaily