استعداد‌های کشف نشده زغال‌ سنگ/ نقش جدید طلای سیاه در دنیای الکترونیک

به گزارش می‌متالز، لایه‌های کربن مشتق شده از زغال سنگ به عنوان عایق‌های عالی در دستگاه‌های دو بعدی عمل می‌کنند، سرعت دستگاه را افزایش می‌دهند و از مصرف انرژی می‌کاهند.

مشارکت موسسات تحقیقاتی بزرگ و شرکت تولید نیمه رسانای تایوان، نشان دهنده تلاشی جدی برای تولید این دستگاه‌های مبتنی بر زغال سنگ در مقیاس صنعتی است.

این پروژه، یک تلاش مشترک تحقیقاتی از دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign، آزمایشگاه ملی فناوری انرژی، آزمایشگاه ملی Oak Ridge و شرکت تولید نیمه رسانای تایوان است که نشان داده است چگونه زغال سنگ می‌تواند نقش حیاتی در دستگاه‌های الکترونیکی نسل بعدی داشته باشد.

زغال سنگ یکی از فراوان‌ترین منابع منبع در ایالات متحده به شمار می‌رود که متأسفانه استفاده از آن به عنوان سوخت فسیلی قابل احتراق، باعث آلودگی هوا شده است. از آنجایی که این کشور در حال گذار به نسل جدیدی از ابزار‌های تولید انرژی است، بررسی و ارزیابی مجدد نقش اقتصادی زغال سنگ بسیار مهم خواهد بود.

چینگ کائو، استاد دانشگاه علوم و مهندسی مواد و یکی از رهبران این همکاری می‌گوید: «زغال سنگ معمولاً به عنوان ماده‌ای در ابعاد بزرگ و بسیار ناخالص در نظر گرفته می‌شود، اما تکنیک‌های پردازشی که ما توسعه داده ایم، می‌تواند آن را به موادی با ارزش بسیار بالا تبدیل کند. ساختار‌ها و خواص اتمی منحصر به فرد زغال سنگ، برای ساخت کوچکترین وسایل الکترونیکی ممکن با عملکردی فوق‌العاده ایده‌آل است.

فرآیند توسعه یافته توسط NETL، ابتدا زغال سنگ را به دیسک‌هایی کربنی در مقیاس نانو، به نام "نقاط کربنی" تبدیل می‌کند. طبق بررسی گروه تحقیقاتی U. of I. این نقاط کربنی می‌توانند برای تشکیل غشا‌های نازک اتمی در ترانزیستور‌های دو بعدی و ممریستور‌ها استفاده شوند، فناوری‌هایی که برای ساخت وسایل الکترونیکی پیشرفته‌تر حیاتی خواهند بود.

مناسب برای دنیای الکترونیک دو بعدی

در راستای تلاش همیشگی ما برای ساخت وسایل الکترونیکی کوچکتر، سریعتر و کارآمدتر، گام نهایی دستگاه‌هایی خواهد بود که با موادی با ضخامت یک یا دو اتم ساخته میشوند. کوچکتر بودن دستگاه‌ها از این حد غیرممکن است، اما اندازه‌ی کوچک آن‌ها باعث می‌شود بسیار سریعتر کار کنند و انرژی خیلی کمتری هم مصرف کنند.

در حالی که نیمه رسانا‌های فوق نازک به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، لازم است عایق‌های نازک اتمی - موادی که جریان‌های الکتریکی را مسدود می‌کنند - برای ساخت وسایل الکترونیکی کار مانند ترانزیستور‌ها و ممریستور‌ها وجود داشته باشد.

لایه‌های نازک اتمی کربن با ساختار‌های اتمی نامنظم می‌توانند به عنوان یک عایق عالی برای ساخت دستگاه‌های دو بعدی عمل کنند. پژوهشگران این پروژه می‌گویند که چنین لایه‌های کربن را می‌توان از نقاط کربن حاصل از زغال سنگ تشکیل داد.

برای نشان دادن توانایی‌های خود، گروه U. از I. به رهبری CAO دو نمونه از دستگاه‌های دو بعدی را ایجاد کردند.

کائو گفت: «این واقعاً بسیار هیجان انگیز است، زیرا این اولین باری است که زغال سنگ، چیزی که ما معمولاً آن را به عنوان یک فناوری قدیمی می‌شناسیم، مستقیماً با مرز‌های پیشرفت میکروالکترونیک مرتبط می‌شود.»

ترانزیستور دی الکتریک

گروه کائو از لایه‌های کربن مشتق شده از زغال سنگ به عنوان دی الکتریک دروازه در ترانزیستور‌های دوبعدی ساخته شده بر روی گرافن نیمه فلزی یا دی سولفید مولیبدن نیمه رسانا استفاده کردند تا بیش از دو برابر سرعت عملکرد دستگاه را با مصرف انرژی کمتر فراهم کنند.

مانند سایر مواد نازک اتمی، لایه‌های کربن مشتق شده از زغال سنگ «پیوند‌های آویزان» یا الکترون‌هایی که با پیوند شیمیایی مرتبط نیستند، ندارند.

این نمونه‌ها، که در سطح عایق‌های سه بعدی معمولی به وفور یافت می‌شوند، ویژگی‌های الکتریکی خود را با عملکرد مؤثر به عنوان «تله» تغییر می‌دهند و انتقال بار‌های موبایل و در نتیجه سرعت سوئیچینگ ترانزیستور را کاهش می‌دهند.

با این حال، بر خلاف سایر مواد اتمی نازک، لایه‌های کربن جدید مشتق شده از زغال‌ سنگ بی‌شکل هستند، یعنی ساختار منظم و کریستالی ندارند. به همین خاطر، آن‌ها مرزی بین مناطق کریستالی مختلف که به عنوان مسیر‌های هدایت منجر به "نشت" می‌شوند را ندارند. نشت، به جایی گفته می‌شود که جریان‌های الکتریکی نامطلوب از طریق عایق جریان می‌یابد و باعث مصرف انرژی اضافی قابل توجهی در طول عملیات دستگاه می‌شود.

منبع: پایگاه خبری - تحلیلی ایراسین