Дослідники розробили процес перетворення вугілля в нанорозмірні вуглецеві точки, ідеальні для побудови тонких за атомом електронних пристроїв, таких як транзистори та мемристори. Вуглецеві шари, отримані з вугілля, функціонують як чудові ізолятори у двовимірних пристроях, підвищуючи швидкість пристрою та зменшуючи споживання енергії. Залучення великих науково-дослідних установ і компанії Taiwan Semiconductor Manufacturing Company свідчить про серйозні зусилля щодо промислового виробництва цих пристроїв на основі вугілля.

Спільні дослідницькі зусилля Університету Іллінойсу Урбана-Шампейн, Національної лабораторії енергетичних технологій, Національної лабораторії Ок-Рідж і Тайванської компанії з виробництва напівпровідників показали, що вугілля може відігравати важливу роль в електронних пристроях нового покоління.

Вугілля є багатим ресурсом у Сполучених Штатах, яке, на жаль, спричинило забруднення повітря через використання його як горючого викопного палива. Оскільки країна переходить на інші способи виробництва енергії, буде важливо розглянути та переоцінити економічну роль вугілля. Вугілля насправді може відігравати важливу роль в електронних пристроях наступного покоління.

Цін Цао, професор матеріалознавства та інженерії Університету I. і один із керівників співпраці, сказав: «Вугілля зазвичай вважають чимось громіздким і брудним, але розроблені нами технології обробки можуть перетворити його на високопродуктивний чистота матеріалів товщиною лише пару атомів. Їх унікальні атомні структури та властивості ідеально підходять для створення найменшої електроніки з вищими характеристиками, ніж сучасні».

Процес, розроблений NETL, уперше перетворює вугільне вугілля на нанорозмірні вуглецеві диски, які називаються «вуглецевими точками», які дослідницька група U. of I. продемонструвала, що їх можна з’єднати, щоб утворити атомарно тонкі мембрани для застосування як у двовимірних транзисторах, так і в мемристорах, технологіях, які матиме вирішальне значення для створення більш досконалої електроніки.

Ідеально підходить для 2D електроніки

У безперервних пошуках меншої, швидшої та ефективнішої електроніки останнім кроком стануть пристрої, виготовлені з матеріалів товщиною лише один-два атоми. Неможливо, щоб пристрої були меншими за цю межу, і їхній малий масштаб часто змушує їх працювати набагато швидше та споживати набагато менше енергії.

У той час як надтонкі напівпровідники були широко вивчені, також необхідно мати атомарно тонкі ізолятори – матеріали, які блокують електричні струми – для створення робочих електронних пристроїв, таких як транзистори та мемристори.

Атомарно тонкі шари вуглецю з невпорядкованою атомною структурою можуть функціонувати як чудовий ізолятор для побудови двовимірних пристроїв. Дослідники в колаборації показали, що такі вуглецеві шари можуть бути сформовані з вуглецевих точок, отриманих із вугілля.

Щоб продемонструвати свої можливості, група U. of I. під керівництвом Цао розробила два приклади двовимірних пристроїв.

«Це справді дуже захоплююче, тому що це перший випадок, коли вугілля, те, що ми зазвичай вважаємо низькотехнологічним, було безпосередньо пов’язане з передовим краєм мікроелектроніки», — сказав Цао.

Транзистор діелектрик

Група Цао використовувала вуглецеві шари, отримані з вугілля, як діелектрик затвора у двовимірних транзисторах, побудованих на напівметалі графені або напівпровідниковому дисульфіді молібдену, щоб забезпечити більш ніж удвічі більшу швидкість роботи пристрою з меншим енергоспоживанням.

Як і інші атомарно тонкі матеріали, вуглецеві шари, отримані з вугілля, не мають «обвисаючих зв’язків» або електронів, які не пов’язані з хімічним зв’язком.

Ці ділянки, яких багато на поверхні звичайних тривимірних ізоляторів, змінюють їхні електричні властивості, ефективно функціонуючи як «пастки», уповільнюючи транспорт мобільних зарядів і, таким чином, швидкість перемикання транзистора.

Однак, на відміну від інших атомно тонких матеріалів, нові вуглецеві шари, отримані з вугілля, є аморфними, що означає, що вони не мають регулярної кристалічної структури.

Тому вони не мають меж між різними кристалічними областями, які служать шляхами провідності, що призводить до «витоку», де небажані електричні струми протікають через ізолятор і викликають значне додаткове споживання електроенергії під час роботи пристрою.

Мемристорна нитка

Іншим застосуванням, яке розглядала група Цао, є мемристори – електронні компоненти, здатні як зберігати, так і працювати з даними, щоб значно покращити реалізацію технології ШІ.

Ці пристрої зберігають і представляють дані шляхом модуляції провідної нитки, утвореної електрохімічними реакціями між парою електродів з ізолятором, розташованим між ними.

Дослідники виявили, що застосування надтонких вуглецевих шарів, отриманих із вугілля, як ізолятора, дозволяє швидко формувати таку нитку з низьким споживанням енергії, щоб забезпечити високу швидкість роботи пристрою з низькою потужністю.

Мало того, кільця атомарного розміру в цих шарах вуглецю, отриманих із вугілля, обмежують нитку для покращення відтворюваних операцій пристрою для підвищення точності та надійності зберігання даних.

Від дослідження до виробництва

Нові пристрої, розроблені групою Cao, забезпечують підтвердження принципу використання вуглецевих шарів, отриманих із вугілля, у двовимірних пристроях.
Залишилося показати, що такі пристрої можна виготовляти у великих масштабах.

Джерело: newenergyandfuel