Forskere foreslår en ramme for ansvarlig forvaltning af ultratynde materialeforskning

For en almindelig forbruger har de bedste gadgets på markedet den højeste hastighed, den største hukommelse og den længste batterilevetid. For at jagte denne efterspørgsel tager forskningens forkant ofte kun disse håndgribelige præstationsmålinger i betragtning, når de innoverer og designer næste generations elektronik. I kølvandet på dette teknologiske stormløb ligger de langsigtede miljøpåvirkninger tilsløret og negligeret under støvet.

Forskere ved Singapore University of Technology and Design (SUTD) håber at være katalysatoren for bæredygtighedsdrevet videnskab. Adjunkt Ang Yee Sin fra fakultetet for videnskab, matematik og teknologi (SMT) bemærker, at mange materialer, der findes i konventionelle halvlederenheder, kommer fra miljøskadelige udvindingsprocesser, er højrisikoforurenende stoffer eller udgør en alvorlig sundhedsfare for mennesker.

"Bæredygtigheden af ​​halvlederenheder på materialeniveau ignoreres stort set. Desuden forventes mange elementer, der bruges i halvlederenheder, at blive udtømt inden for de næste 100 år," tilføjede han og vækker bekymring over langsigtet, end-to-end bæredygtighed .

Med disse overvejelser i tankerne foreslog hans forskerhold en ny samlende ramme, der identificerer lavrisikomaterialer til videreudvikling. Tre primære spørgsmål styrede deres tilgang:1) Hvor rigelige er råvarerne? 2) Hvordan kan vi få dem? 3) Hvad er deres skæbne i slutningen af ​​deres operationelle levetid?

”På længere sigt bør elektronikken også være ’klimadrevet’. Råingredienserne i halvlederteknologi og elektronik skal være kompatible med den globale dagsorden for klimaændringer," sagde Asst Prof Ang.

Asst Prof Ang og hans team søgte samarbejde med forskere fra USA, Kina og Malaysia. Deres resultater blev offentliggjort i et papir med titlen "Toward sustainable ultrawide bandgap van der Waals materials:An ab initio screening-indsats," i Advanced Functional Materials .

I deres undersøgelse fokuserede de på state-of-the-art beregningsmetoder, der bruges til at supplere det voksende felt af nanostrukturer og ultratynde 2D-materialer. Med fremkomsten af ​​moderne supercomputing-systemer, omfattende databaser og højeffektiv software, er simulations-informeret computerscreening blevet et populært tilbehør til at accelerere 2D-materialeformulering. Denne tilgang lister kandidatmaterialer til præcise eksperimentelle prototypebestræbelser.

Forskere bliver dog ofte afskrækket fra at undersøge miljøsikre muligheder, idet de tror, ​​at håndhævelse af bæredygtighedsdrevne screeningskriterier væsentligt kan reducere antallet af tilgængelige stærke kandidater til specifikke applikationer og føre til dårlige resultater i det endelige produkt.

For at demonstrere levedygtigheden af ​​bæredygtig materialeforskning offentliggjorde holdet en analyse af mulige bestanddele, der er tilgængelige til bæredygtigt design af ultrawide bandgap (UWBG) halvledere. Denne særlige klasse af halvledere spiller en central rolle i mange applikationer – lige fra transistorer i computere og smartphones til elektronik i køretøjer og UV-sensorer i branddetektorer og sundhedsteknologier.

I deres undersøgelse pålagde holdet strenge begrænsninger for søgen efter ideelle materialer. Disse materialer må ikke udgøre en risiko for miljøet, er ikke-farlige for menneskers sundhed og er ikke i fare for udtømning. Derudover skal de opfylde nøglekravene for at fungere som UWBG-halvledere:de skal være egnede til standby-drift med lav effekt, være mekanisk robuste og kan fungere godt som UV-detektorer. Holdet ønskede også materialer, der nemt kunne syntetiseres i laboratoriet for at sikre tilgængelighed til dybere forskning.

Under disse søgebetingelser konsoliderede forskerne systematisk kandidatmaterialer og udførte kvanteinspirerede beregninger fra det grundlæggende (ab initio) for at sikre ensartet nøjagtighed og ydeevne. Ud fra de originale 3.000 poster i materialedatabasen, sigtede søgealgoritmen kun 25 resterende kandidater ud. Baseret på tidligere undersøgelser har disse kandidatmaterialer vist sig at udvise høj ydeevne over en bred vifte af anvendelser.

"Vores materialescreeningsramme fokuserer ikke kun på anvendelsesscenarier og nøglepræstationsindikatorer, men også bæredygtighedskriterierne, som eliminerer materialer, der består af højrisikoelementer. Denne ramme giver os mulighed for at identificere materialekandidater, der viser høj ydeevne og også er bæredygtige i materialet. niveau," forklarede Asst Prof Ang.

Holdets resultater viser, at bæredygtighedsdrevet forskning er mulig, der opnår balance mellem ydeevne og bæredygtighed. Asst Prof Ang sagde:"Vores bæredygtighedsmotiverede materialescreeningsramme kan tjene som et kritisk værktøj til at søge efter byggestenene i et grønnere elektroniklandskab, hvor enheder ikke bare er hurtigere, lettere, billigere og har en længere batterilevetid, men også venlig over for miljøet og menneskers sundhed."

Ud over deres demonstration er Asst Prof Ang overbevist om, at den udviklede ramme kan bruges til andre klasser af materialer. Med voksende bevidsthed om den antropologiske byrde på miljøet giver forskningen en spændende platform for videnskabsmænd, ingeniører og forskere til at gentænke næste generations teknologier og dens kompatibilitet med globale grønne dagsordener.

Asst Prof Ang er ivrig efter at generalisere deres innovation inden for materialescreening til andre 2D-materialer. Holdets langsigtede mål er at kategorisere og score 2D-materialer efter deres miljøpåvirkning for at give en holistisk retningslinje, der kan informere fremtidige undersøgelser yderligere.

Flere oplysninger: Chuin Wei Tan et al., Toward Sustainable Ultrawide Bandgap van der Waals Materials:An ab initio Screening Effort, Advanced Functional Materials (2023). DOI:10.1002/adfm.202308679

Journaloplysninger: Avancerede funktionelle materialer

Leveret af Singapore University of Technology and Design