Graphene og halvlederteknologi sammen:Mindre, billigere, bedre

Mobiltelefoner, der bøjer, selvdrevne nanodeapparater, ny og forbedret solcelleteknologi og vinduer, der genererer elektricitet, er kun et par af de potentielle produkter fra sammenslutningen af ​​halvledere og grafen.

Halvledere dyrket på grafen ved det norske universitet for videnskab og teknologi (NTNU) kan være det vigtigste forskningsgennembrud i 2012 i Norge. I centrum for forskningsindsatsen er professor Helge Weman, Professor Bjørn-Ove Fimland og postdoktor Dong Chul Kim. Teamet arbejder nu på at oversætte resultaterne af deres grundforskning til en indledende prototype.

Kun et atom tykt

I 1960'erne, forskere forestillede sig, at grafit (rent kulstof) kunne skæres i lag, der kun måler et atom i tykkelse - hvilket resulterer i materialet kendt som grafen.

I 1990'erne, forskere formåede at skabe et lag så tyndt som 100 atomer, men der var ingen fremgang efter det indtil 2004, da den russiskfødte Andre Geim tog en tapedispenser fra sit skrivebord ved University of Manchester, pressede en smule tape over et tyndt lag grafit og pillede det væk. Da han undersøgte båndet under et mikroskop, han opdagede et lag kun et carbonatom tykt. Graphene blev født!

I 2010, Dr. Geim og hans kollega, Konstantin Novoselov, blev i fællesskab tildelt Nobelprisen i fysik for deres arbejde med at demonstrere grafens unikke egenskaber.

Forud for pakken på NTNU

Seks måneder før Dr. Geim og Dr. Novoselov ankom til Stockholm for at modtage deres præmie, og før grafen var blevet en genstand, Den sydkoreanske postdoktor Dong Chul Kim på NTNU havde foreslået professorerne Helge Weman og Bjørn-Ove Fimland ved Institut for Elektronik og Telekommunikation, at de skulle se nærmere på netop dette materiale. Forslaget kom kort efter, at det var lykkedes en forskningsgruppe i deres afdeling at dyrke halvleder -nanotråde fremstillet af galliumarsenid (GaA'er) på siliciumsubstrater. Dette fik Dr Weman til at spekulere på, om det ville være muligt at dyrke halvleder -nanotråde direkte på grafen i stedet.

Professor Wemans kollektive ekspertise, Professor Fimland og Dr. Kim viste sig at være en frugtbar kombination. Forskerne opnåede hurtigt deres første gennembrud, i september 2010, og i sommeren 2012 lykkedes det at placere nanotrådhalvledere på en et-atom-tyk base. Disse aktive halvledere vokser normalt til en mikron (en milliondel af en meter) i tykkelse.

Bliver silicium forældet?

Graphene er absolut det hotteste emne lige nu blandt nanomaterialeforskere. Det rene kulstofmateriale er langt det tyndeste og stærkeste, der findes. Det er 200 gange stærkere end stål, leder elektricitet 100 gange hurtigere end silicium og er bedre end ethvert andet materiale til at lede varme. Det er uigennemtrængeligt, alligevel smidig og gennemsigtig på samme tid. Og billig storstilet produktion af grafen er nu ved at blive en realitet.

På nuværende tidspunkt, elektronik og solceller placeres oven på tykke siliciumsubstrater. Men silicium har klare begrænsninger, inklusive størrelse. Store teknologivirksomheder kæmper med at producere siliciumbaserede produkter, der er mindre end dem, der i øjeblikket er på markedet. En anden udfordring ved brug af silicium er, at siliciumbaseret elektronik genererer meget varme. Mange mennesker anser grafen for at være den primære kandidat til udskiftning af silicium.

Store multinationale virksomheder som IBM og Samsung har lagt en stor indsats i forskning på både halvledere og grafen. Men det virkelige gennembrud i voksende halvledere på grafen fandt faktisk sted på NTNU i Trondheim.

Resultaterne af disse forskere i Trondheim kan bruges til at lave elektronik og solceller, der er flere hundrede gange tyndere end nuværende modeller. Dette vil gøre det muligt at producere elektronik, der er både smidig og gennemsigtig, udover at være billigere og mere energieffektiv.

Mere effektive solceller og lysdioder

Det vil sandsynligvis ikke vare længe, ​​før simple grafenprodukter begynder at dukke op på markedet. Nogle af dem vil være baseret på halvlederteknologi.

Halvledere er en hovedkomponent i næsten al moderne elektronik. Uden dem, det ville ikke være muligt at have computere, smartphones, solceller, LED -lys eller enheder, der bruger lasere, dvs. alt fra printere til fiberkommunikation. Alle disse emner kan gøres mindre og bedre ved hjælp af grafen. Grafen kan både erstatte halvleder -substratet og tjene som en gennemsigtig elektrode for en bøjelig nanotrådssolcelle.

"Solcelle- og LED-teknologi vil være de indledende områder for at se nye produkter ved hjælp af grafenbaserede halvledere, "Dr Weman tror.

Underpriset fossil energi er den primære bidragyder til den globale opvarmning. Sollys er en alternativ kilde med et enormt potentiale, men solenergi bliver nødt til at blive billigere og mere effektiv. Halvleder nanotråde baseret på grafen kan lige endelig tippe skalaerne til fordel for solenergi.

"Hvis halvleder -nanotråde dyrket på grafen bruges i solceller, den samme mængde sollys kan omdannes til energi ved hjælp af en tiendedel af mængden af ​​materialer, der bruges i tyndfilmede solceller. Og det betyder, at vi har skåret ned på endnu mere materiale ved at dyrke halvlederne på grafen i stedet for på et tykt halvlederunderlag. Ny forskning viser også, at grafen har yderligere unikke egenskaber, der øger effektiviteten af ​​en solcelle, "Dr Weman forklarer.

LED -pærer er overlegne med hensyn til energieffektivitet, men har været dyrere at producere på grund af dyre halvlederunderlag. Halvleder -nanotråde på grafen vil gøre det muligt at forsyne verden med LED -pærer, der er langt billigere og meget mere effektive, samtidig med at de er mere smidige og vejer mindre end dagens pærer.

Industrialisering i horisonten

Arbejdet med grafen på NTNU har tiltrukket opmærksomheden fra mange internationale virksomheder, der er interesseret i at samarbejde med de Trondheim-baserede forskere og deres virksomhed, CrayoNano. Men de potentielle industrielle forespørgsler hidtil er udelukkende kommet fra Asien og USA. Skuespillere i Norge og Europa har endnu ikke udtrykt nogen interesse.

"Vi er pionerer i, at vi bruger grafen til andet end grundforskning. Vi har måske allerede vores første prototype på plads i slutningen af ​​2013, men vi ønsker ikke at afsløre, hvad det er endnu, "Siger Weman.

"Det felt, vi arbejder med - ved hjælp af grafen som erstatning for silicium og andre halvlederunderlag i elektronik og solceller - medfører mange nye muligheder. Men potentialet er lige så stort for applikationer, der bruger grafen på andre områder end elektronik, såsom i den medicinske sektor. Grafen kan bruges i kroppen uden at forårsage nogen skade, "Dr Weman forklarer.

"I en verden, hvor der er mangel på drikkevand, at anvende iltmodificerede grafenfiltre til at rense vand er endnu en spændende applikation. Det er en helt ny måde at omdanne havvand til ferskvand. "

Under alle omstændigheder, forsknings- og udviklingsaktiviteter vil være nødvendige i mange år. Dr Weman sammenligner den nuværende tilstand inden for grafenforskning med hvor silicium var i begyndelsen af ​​1960'erne.