Grafen er ikke den eneste Lego i materialevidenskabens legetøjsæske

Du har måske hørt om grafen, et ark rent kulstof, et atom tykt, det er alt, hvad der er på mode i materialevidenskabelige kredse, og får også masser af mediehype. Rapporter har udbasuneret grafen som en ultratynd, super stærk, superledende, super fleksibelt materiale. Du kunne blive undskyldt for at tro, at det endda kunne redde hele menneskeheden fra en vis undergang.

Ikke nøjagtigt. I den nuværende verden af ​​nanoelektronik, der sker meget mere end blot grafen. Et af de materialer, jeg arbejder med, molybdendisulfid (MoS₂), er et et-lags materiale med interessante egenskaber ud over grafen. MoS₂ kan absorbere fem gange så meget synligt lys som grafen, gør den anvendelig i lysdetektorer og solceller. Ud over, selv nyere materialer som borophen (et et-lags materiale lavet af boratomer, der forventes at være mekanisk stærkere end grafen) bliver foreslået og syntetiseret hver dag.

Disse og andre materialer, der endnu ikke er opdaget, vil blive brugt som Lego -stykker til at bygge fremtidens elektronik. Ved at stable flere materialer på forskellige måder, vi kan drage fordel af forskellige egenskaber i hver af dem. Den nye elektronik bygget med disse kombinerede strukturer vil være hurtigere, mindre, mere miljøbestandig og billigere end hvad vi har nu.

Leder efter et energigab

Der er en nøgleårsag til, at grafen ikke vil være det alsidige kur-alle-materiale, som hypen kunne antyde. Du kan ikke bare stable grafen gentagne gange for at få det, du ønsker. Den elektroniske egenskab, der forhindrer dette, er manglen på det, der kaldes et "energigab". (Det mere tekniske udtryk er "båndgab").

Metaller leder elektricitet igennem dem uanset miljøet. Imidlertid, ethvert andet materiale, der ikke er et metal, har brug for et lille løft af energi udefra for at få elektroner til at bevæge sig gennem båndgabet og ind i den ledende tilstand. Hvor meget af et boost materialet har brug for kaldes energigabet. Energigabet er en af ​​de faktorer, der bestemmer, hvor meget samlet energi der skal bruges i hele din elektriske enhed, enten fra varme eller påført elektrisk spænding, for at få den til at lede strøm. Du skal i bund og grund bruge nok startenergi, hvis du vil have din enhed til at fungere.

Nogle materialer har et hul så stort, at næsten ingen energi kan få elektroner til at strømme gennem dem. Disse materialer kaldes isolatorer (tænk glas). Andre materialer har enten et ekstremt lille mellemrum eller slet ikke noget hul. Disse materialer kaldes metaller (tænk kobber). Det er derfor, vi bruger kobber (et metal med øjeblikkelig ledningsevne) til ledninger, mens vi bruger plast (en isolator, der blokerer for elektricitet) som den beskyttende ydre belægning.

Alt andet, med mellemrum mellem disse to yderpunkter, kaldes en halvleder (tænk silicium). Halvledere, ved den teoretiske temperatur på det absolutte nulpunkt, opfører sig som isolatorer, fordi de ikke har nogen varmeenergi til at få deres elektroner i ledende tilstand. Ved stuetemperatur, imidlertid, varme fra det omgivende miljø giver lige nok energi til at få nogle elektroner (deraf udtrykket, "halv" -ledende) over det lille båndgab og ind i den ledende tilstand klar til at lede elektricitet.

Grafens energigab

Grafen er faktisk et halvmetal. Den har intet energigab, hvilket betyder, at den altid vil lede elektricitet – du kan ikke slukke for dens ledningsevne.

Dette er et problem, fordi elektroniske enheder bruger elektrisk strøm til at kommunikere. På deres mest grundlæggende niveau, computere kommunikerer ved at sende 1'ere og 0'ere – tænd og sluk-signaler. Hvis en computers komponenter var lavet af grafen, systemet vil altid være tændt, overalt. Den ville være ude af stand til at udføre opgaver, fordi dens mangel på energigab forhindrer grafen i nogensinde at blive et nul; computeren ville blive ved med at læse 1'er hele tiden. Halvledere, derimod har et energigab, der er lille nok til at lade nogle elektroner lede elektricitet, men er stort nok til at have en klar skelnen mellem tændt og slukket tilstand.

At finde de rigtige materialer

Ikke alt håb er ude, imidlertid. Forskere ser på tre hovedmåder at tackle dette på:

Brug af nye materialer, der ligner grafen, der faktisk har et tilstrækkeligt energigab og finde måder at forbedre deres ledningsevne yderligere på. Ændring af selve grafen for at skabe dette energigab. Ved at kombinere grafen med andre materialer for at optimere deres kombinerede egenskaber.

Der ses i øjeblikket mange etlagsmaterialer, der faktisk har et tilstrækkeligt energigab. Et sådant materiale, MoS₂, er blevet undersøgt i de senere år som en potentiel erstatning for traditionel silicium og også som lysdetektor og gassensor.

Den eneste ulempe ved disse andre materialer er, at indtil videre, vi har ikke fundet en, der matcher den fremragende, dog altid-på ledningsevne af grafen. De andre materialer kan slukkes, men når på, de er ikke så gode som grafen. MoS₂ i sig selv anslås at have 1/15 til 1/10 af ledningsevnen af ​​grafen i små enheder. Forskere, inklusiv mig, ser nu på måder at ændre disse materialer for at øge deres ledningsevne.

Brug af grafen som ingrediens

Mærkeligt nok, et energigab i grafen kan faktisk induceres gennem ændringer som at bøje det, gør det til et nanobånd, at indsætte fremmede kemikalier i det eller bruge to lag grafen. Men hver af disse ændringer kan reducere grafenets ledningsevne eller begrænse, hvordan det kan bruges.

For at undgå specialiserede opsætninger, vi kunne bare kombinere grafen med andre materialer. Ved at gøre dette, vi kombinerer også materialernes egenskaber for at høste de bedste fordele. Vi kunne, for eksempel, opfinde nye elektroniske komponenter, der har et materiale, der gør det muligt at slukke eller tænde dem (som MoS₂), men har grafens store ledningsevne, når de tændes. Nye solceller vil arbejde på dette koncept.

En kombineret struktur kunne for eksempel, være et solpanel lavet til barske miljøer:Vi kunne lagre en tynd, gennemsigtigt beskyttelsesmateriale over toppen af ​​et meget effektivt solfangende materiale, som igen kunne være oven på et materiale, der er fremragende til at lede elektricitet til et nærliggende batteri. Andre mellemlag kunne omfatte materialer, der er gode til selektivt at detektere gasser såsom metan eller kuldioxid.

Forskere er nu i gang med at finde ud af, hvad den bedste kombination er til forskellige applikationer. Den, der finder den bedste kombination, vil i sidste ende vinde adskillige rettigheder til patenter for forbedrede elektroniske produkter.

Sandheden er, selvom, vi ved ikke, hvordan vores fremtidige elektronik vil se ud. Der bliver hele tiden opfundet nye legobrikker; måderne vi stabler eller omarrangerer dem på, ændrer sig konstant, også. Det eneste, der er sikkert, er, at det indre af elektroniske enheder vil se drastisk anderledes ud i fremtiden, end de gør i dag.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.