Изследователи са превърнали въглищата в материали с висока чистота за използване в електронни устройства от следващо поколение, отбелязвайки значителна промяна в техните икономически и технологични приложения.

Въглищата са изобилен ресурс, който за съжаление е допринесъл за изменението на климата чрез използването им като изкопаемо гориво. Тъй като човечеството се стреми да премине към други средства за производство на енергия, ще бъде важно да се разгледа и преоцени икономическата роля на въглищата.

Съвместен изследователски екип от Университета на Илинойс Урбана-Шампейн, Националната лаборатория за енергийни технологии, Националната лаборатория Оук Ридж и Тайванската компания за производство на полупроводници (TSMC) показа как въглищата могат да играят жизненоважна роля в електронните устройства от следващо поколение.

"Въглищата обикновено се смятат за нещо обемисто и мръсно, но техниките за обработка, които сме разработили, могат да ги трансформират в материали с висока чистота с дебелина само няколко атома", разказва Цин Цао, професор по инженерство от Университета на Илинойс Урбана-Шампейн и съръководител на сътрудничеството. "Техните уникални атомни структури и свойства са идеални за създаване на едни от най-малките възможни електроники с производителност, превъзхождаща най-съвременните."

Процес, разработен от NETL, за първи път превръща въглищния въглерод в наномащабни въглеродни дискове, наречени "въглеродни точки", за да образуват тънки един атом мембрани за приложения както в двуизмерни транзистори, така и в мемристори, технологии, които ще бъдат критични за конструирането на по-модерна електроника. Тези резултати са докладвани в списание Communications Engineering.

Перфектен за 2D електроника

В продължаващото търсене на по-малка, по-бърза и по-ефективна електроника, последната стъпка ще бъдат устройства, направени от материали с дебелина само един или два атома. Невъзможно е устройствата да бъдат по-малки от тази граница и малкият им мащаб често ги кара да работят много по-бързо и да консумират много по-малко енергия. Въпреки че ултратънките полупроводници са обстойно изследвани, също е необходимо да има тънки един атом изолатори – материали, които блокират електрически токове – за конструиране на работещи електронни устройства като транзистори и мемристори.

Тънките един атом слоеве въглерод с неподредени атомни структури могат да функционират като отличен изолатор за конструиране на двуизмерни устройства. Изследователите в сътрудничеството са показали, че такива въглеродни слоеве могат да бъдат образувани от въглеродни точки, получени от въглища. За да демонстрират възможностите си, групата от Университета на Илинойс Урбана-Шампейн, ръководена от Цао, разработва два примера за двуизмерни устройства.

"Наистина е доста вълнуващо, защото за първи път въглищата, нещо, което обикновено смятаме за нискотехнологично, са пряко свързани с най-новото в микроелектрониката", каза Цао.

Транзистор диелектрик

Групата на Цао използва въглеродни слоеве, получени от въглища, като диелектрик на затвора в двуизмерни транзистори, изградени върху полуметал графен или полупроводников молибденов дисулфид, за да позволява повече от два пъти по-висока скорост на работа на устройството с по-ниска консумация на енергия. Подобно на други атомно тънки материали, въглеродните слоеве, получени от въглища, не притежават "висящи връзки" или електрони, които не са свързани с химическа връзка. Тези места, които са в изобилие на повърхността на конвенционалните триизмерни изолатори, променят техните електрически свойства, като ефективно функционират като "капани", забавяйки транспортирането на мобилни заряди и по този начин скоростта на превключване на транзистора.

Въпреки това, за разлика от други тънки един атом материали, новите въглеродни слоеве, получени от въглища, са аморфни, което означава, че те не притежават правилна, кристална структура. Следователно те нямат граници между различни кристални региони, които служат като проводящи пътища, водещи до "изтичане", където нежелани електрически токове протичат през изолатора и причиняват значителна допълнителна консумация на енергия по време на работа на устройството.

Мемристорна нишка 

Друго приложение, което групата на Цао разглежда, са мемристорите – електронни компоненти, способни както да съхраняват, така и да работят с данни, за да подобрят значително прилагането на AI технологията. Тези устройства съхраняват и представят данни чрез модулиране на проводяща нишка, образувана от електрохимични реакции между двойка електроди с изолатор, поставен между тях.

Изследователите откриват, че прилагането на ултратънки въглеродни слоеве, извлечени от въглища, като изолатор позволява бързо формиране на такава нишка с ниска консумация на енергия, за да се даде възможност за висока работна скорост на устройството с ниска мощност. Освен това пръстените с атомен размер в тези въглеродни слоеве, получени от въглища, ограничават нишката, за да подобрят възпроизводимите операции на устройството за подобрена прецизност и надеждност на съхранение на данни.

От изследване до производство

Новите устройства, разработени от групата Цао, са доказателство за принципа за използването на въглеродни слоеве, получени от въглища, в двуизмерни устройства. Това, което остава, е да покажем, че такива устройства могат да бъдат произведени в големи мащаби.

"Полупроводниковата индустрия, включително нашите сътрудници в Taiwan Semiconductor, се интересуват много от възможностите на двуизмерните устройства и ние се опитваме да изпълним това обещание", разказва Цао.
"През следващите няколко години Университетът на Илинойс Урбана-Шампейн ще продължи да си сътрудничи с NETL, за да разработи производствен процес за базирани на въглища въглеродни изолатори, които могат да бъдат внедрени в индустриални условия."

Справка: “Ultrathin quasi-2D amorphous carbon dielectric prepared from solution precursor for nanoelectronics” by Fufei An, Congjun Wang, Viet Hung Pham, Albina Borisevich, Jiangchao Qian, Kaijun Yin, Saran Pidaparthy, Brian Robinson, Ang-Sheng Chou, Junseok Lee, Jennifer Weidman, Sittichai Natesakhawat, Han Wang, André Schleife, Jian-Min Zuo, Christopher Matranga and Qing Cao, 20 December 2023, Communications Engineering. DOI: 10.1038/s44172-023-00141-9

Източник: Coal’s Quantum Leap: Pioneering the Future of Nanoelectronics, University Of Illinois At Urbana-Champaign

Още по темата

03/10/2023

Физика

Физици постигат свръхпроводимост и още нещо от квазикристали

31/07/2023

Физика

Нов свръхпроводник при стайна температура и налягане - всичко, което трябва да знаете

19/07/2023

Физика

Триене, което ускорява движението на обекта

29/05/2023

Технологии

Графенът расте и се възстановява и това може да се види