Δυνατότητα εφαρμογής του γραφενίου σε μικροηλεκτρονικές συσκευές

Δεδομένου ότι το γραφένιο απολέπισε για πρώτη φορά μηχανικά το 2004, έχει γίνει γρήγορα ένα ερευνητικό σημείο στην επιστήμη των υλικών, χάρη στο γεγονός ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να κάνει απίστευτα πράγματα. Τα παρακάτω άρθρα θα επικεντρωθούν στο πώς θα φέρει επανάσταση στη μηχανική ημιαγωγών στα επόμενα χρόνια.

Τα μονοστρώματα γραφενίου αποτελούνται από εναποθέσεις άνθρακα πάχους ενός ατόμου. Επειδή οι πυρηνικοί δεσμοί συγκρατούν αυτά τα άτομα μαζί, οι δομές που προκύπτουν έχουν εξαιρετική δύναμη. Η ανθεκτικότητα του υλικού σημαίνει ότι μπορεί να λειτουργήσει στα πιο απαιτητικά περιβάλλοντα λειτουργίας (χειρισμός υψηλών θερμοκρασιών και μεγάλων τάσεων διακοπής). Επιπλέον, το γραφένιο προσφέρει υψηλότερο επίπεδο κινητικότητας ηλεκτρονίων (περισσότερο από 130 φορές μεγαλύτερη από αυτό του πυριτίου), το οποίο μεταφράζεται σε εξαιρετικά ελκυστικές αγώγιμες ιδιότητες.

Η αξία του γραφενίου σε διάφορους κλάδους της ηλεκτρονικής μηχανικής

Υπάρχουν αρκετές βασικές περιοχές στη μικροηλεκτρονική που θα μπορούσαν να επωφεληθούν από τη χρήση του γραφενίου. Αυτά περιλαμβάνουν:

• Συμπληρώνοντας τις τεχνολογίες ημιαγωγών ευρείας ζώνης (π.χ. καρβίδιο πυριτίου και νιτρίδιο γαλλίου), το γραφένιο θα είναι σε θέση να σπάσει μερικά από τα εμπόδια στον τομέα αυτό, τα οποία θα οδηγήσουν σε ταχύτερη εναλλαγή και σημαντικά βελτιωμένη αποδοτικότητα.

• Η υψηλή οπτική διαφάνεια του γραφενίου σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οθόνες (παρέχοντας μια εναλλακτική λύση στις ταινίες οξειδίου του ινδίου κασσίτερου που χρησιμοποιούνται σήμερα).

• Η προσθήκη γραφενίου στους πόρους μικροεπεξεργαστών υψηλής πυκνότητας μπορεί να αυξήσει σημαντικά την απόδοση. Αυτό θα βοηθήσει να σπάσει το "Νόμο του Μουρ" που έχει καθορίσει εδώ και καιρό τη βιομηχανία ημιαγωγών, και να ξεπεράσει τα προβλήματα διαρροής ισχύος που προκαλούνται από τη μετακίνηση σε μικρότερους κόμβους διαδικασίας.

• Υπάρχει επίσης μεγάλο δυναμικό αγοράς, συμπεριλαμβανομένου του Διαδικτύου των πραγμάτων και άλλων συσκευών.

Οι αισθητήρες παρουσιάζουν μερικές πολύ προσοδοφόρες ευκαιρίες για το γραφένιο. Η εταιρεία αναλύσεων εκτιμά ότι η παγκόσμια επιχείρηση αισθητήρων με βάση το γραφένιο θα αξίζει περίπου $980 εκατομμύριο το χρόνο από τον 2024. Οι κύριες χρήσεις που περιγράφονται στην πρόσφατη έκθεσή του είναι σε βιοαισθητήρες και οπτικές συσκευές. Ειδικά όταν πρόκειται για ηλεκτρονικούς αισθητήρες, το γραφένιο θεωρείται ότι έχει τις ιδιότητες που απαιτούνται για να λειτουργήσει στο εγγύς μέλλον. Ωστόσο, η επιτυχία αυτού του υλικού σε αυτούς τους τομείς εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ύπαρξη μιας αποτελεσματικής μεθόδου παραγωγής.

Με την απόκτηση απολέπισης νιφάδων γραφενίου, ορισμένες μικροηλεκτρονικές συσκευές μπορούν να παραχθούν σε μικρές παρτίδες. Ωστόσο, από τη φύση της, η παγκόσμια βιομηχανία μικροηλεκτρονικής δεν λειτουργεί έτσι. Όλα αυτά οφείλονται στις οικονομίες κλίμακας, με μεγάλο αριθμό συσκευών να κατασκευάζονται με χαμηλότερο κόστος μονάδας. Εάν το γραφένιο πρόκειται να ενσωματωθεί επιτυχώς σε έναν νέο τύπο μικροηλεκτρονικής συσκευής, η διαδικασία που χρησιμοποιείται για τη σύνθεση του γραφενίου πρέπει να είναι ακριβώς η ίδια με εκείνη που χρησιμοποιείται για την κατασκευή ημιαγωγών.

Σύνθεση του γραφενίου για τη ζήτηση υψηλής απόδοσης

Οι κύριες μέθοδοι που χρησιμοποιούνται σήμερα για τη σύνθεση μεγάλου μεγέθους γραφενίου είναι η χημική εναπόθεση ατμού (CVD) και η ενισχυμένη με πλάσμα χημική εναπόθεση ατμού (PECVD). Πρέπει να σημειωθεί ότι και οι δύο διαδικασίες έχουν σημαντικά προβλήματα που σχετίζονται με αυτές.

Κατά την παραγωγή γραφενίου χρησιμοποιώντας τη μέθοδο η σύνθεση πραγματοποιείται σε μεταλλικό καταλύτη (συνήθως φύλλο αλουμινίου χαλκού ή νικελίου) και όχι στο πραγματικό υποστρώμα ημιαγωγών. Το συνθετικό γραφένιο πρέπει να αφαιρεθεί από το μεταλλικό φύλλο αλουμινίου και να μεταφερθεί στο υπόστρωμα ημιαγωγών. Ως εκ τούτου, είναι πολύ δύσκολο να εξασφαλιστεί η καθαρότητα και η δομική ακεραιότητα του γραφενίου που παράγεται με αυτές τις μεθόδους. Η παρουσία ρύπων αποτελεί πραγματική απειλή. Αυτό μπορεί να είναι το μεταλλικό φύλλο αλουμινίου που απομένει μετά τη διάβρωση των χημικών ουσιών που χρησιμοποιούνται στη διαδικασία μεταφοράς ή ο καταλύτης. Αυτές οι μολυσματικές ουσίες ή δομικές ανωμαλίες μπορούν να επηρεάσουν αρνητικά τις παραμέτρους απόδοσης του συνθετικού γραφενίου.

Η διαδικασία εναπόθεσης μετάλλων-οργανικών χημικών ατμών (MOCVD) που αναπτύχθηκε από την Paragraf σημαίνει ότι το CVD και το PECVD δεν είναι πλέον ο δρόμος προς τα εμπρός για τη σύνθεση γραφενίου. Αυτή η πατενταρισμένη διαδικασία είναι πραγματικά μοναδική επειδή επιτρέπει τη μαζική παραγωγή γραφενίου και άλλων δισδιάστατων (2υλικών). Σε αντίθεση με τις ρυθμίσεις που έχουν ήδη συζητηθεί, οι οποίες απαιτούν μεταφορά από τον παρθένο καταλύτη, το επιτρέπει την άμεση στρώση υλικών γραφενίου σε υποστρώματα ημιαγωγών. Τα ενοχλητικά βήματα μεταφοράς μπορούν να αποφευχθούν, έτσι η μόλυνση δεν θεωρείται πλέον πρόβλημα.

Το γραφένιο μπορεί να τοποθετηθεί απευθείας σε πλακέτες ημιαγωγών πλήρους κλίμακας με συνεπή και πλήρως επαναλαμβανόμενο τρόπο. Αυτό σημαίνει ότι η idm και η fabs θα είναι σε θέση να ενσωματώσουν τη διαδικασία στις ήδη καθιερωμένες ροές εργασίας τους χωρίς καμία διακοπή.

Συσκευές μαγνητικών αισθητήρων με βάση το γραφένιο

Ένα από τα πρώτα ανοίγματα για το γραφένιο ήταν στην αγορά αισθητήρων επίδρασης Hall. Ευρέως χρησιμοποιημένος στα βιομηχανικά και αυτοκίνητα συστήματα, αυτοί οι αισθητήρες παρέχουν έναν μηχανισμό χωρίς επαφή με τον οποίο μπορεί να προσδιοριστεί η πυκνότητα ροής ενός μαγνητικού πεδίου.

Οι συμβατικές συσκευές επίδρασης έχουν ένα τρισδιάστατο στοιχείο ανίχνευσης, όπου το ύψος του στοιχείου επηρεάζει τα αποτελέσματα που λαμβάνονται. Στοιχεία μαγνητικού πεδίου που δεν είναι κάθετα προς την κατεύθυνση του στοιχείου ανίχνευσης μπορούν να έχουν επίδραση στην ανιχνευμένη δύναμη μαγνητικού πεδίου, δίνοντας ψευδή αριθμό. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται "επίπεδο φαινόμενο αιθουσών".

Η διάκριση μεταξύ πραγματικών και ψευδών σημάτων σημαίνει ότι πρέπει να συμπεριληφθούν πρόσθετα συστατικά στο κύκλωμα επεξεργασίας σήματος (και έτσι να αυξηθεί ο λογαριασμός υλικών). Διαφορετικά, μπορεί να χρειαστεί να κατασκευαστούν μαθηματικά μοντέλα, αν και αυτό δεν είναι κατάλληλο για καταστάσεις που απαιτούν δεδομένα μέτρησης σε πραγματικό χρόνο (όπως συστήματα ασφάλειας οχημάτων κ.λπ.) Άλλα μειονεκτήματα που σχετίζονται με τους παραδοσιακούς αισθητήρες είναι ότι η δυναμική περιοχή και η ακρίβεια επηρεάζονται από τις διακυμάνσεις θερμοκρασίας.

Δεδομένου ότι το γραφένιο είναι ένα δισδιάστατο υλικό, έχει ένα σημαντικό πλεονέκτημα στη μέτρηση με ακρίβεια μαγνητικών πεδίων, καθώς το πάχος του στοιχείου ανίχνευσης δεν χρειάζεται να ληφθεί υπόψη. Οι αισθητήρες επίδρασης αιθουσών που χρησιμοποιούν μονοστρώματα γραφενίου αντί των παραδοσιακών στοιχείων αισθητήρων θα είναι σε θέση να υποστηρίξουν την υψηλότερη ακρίβεια, καθώς τυχόν σφάλματα που προκαλούνται από την επίπεδη επίδραση αιθουσών μπορούν να εξαλειφθούν. Άλλα πλεονεκτήματα που πρέπει να εξεταστούν περιλαμβάνουν την υψηλότερη θερμική σταθερότητα του γραφενίου, που σημαίνει ότι οποιαδήποτε συσκευή που χρησιμοποιεί γραφένιο ως στοιχείο ανίχνευσης είναι ανοσία σε λάθη που προκαλούνται από διακυμάνσεις θερμοκρασίας. Αυτό θα επιτρέψει σε αυτές τις συσκευές να αναπτυχθούν σε εφαρμογές ακραίας θερμοκρασίας.

Ηλεκτρικές παράμετροι του κύβου αισθητήρων επίδρασης που εξετάζονται σε πλακέτα

Οι αισθητήρες με βάση το γραφένιο έχουν επίσης δει στο παρελθόν, αλλά αυτοί οι αισθητήρες μπορούν να παραχθούν μόνο σε μικρές παρτίδες με μεγάλο κόστος μονάδας, αποτυγχάνοντας να επιτύχουν τις απαραίτητες οικονομίες κλίμακας που συζητήθηκαν νωρίτερα. Χάρη στη διαδικασία, οι αισθητήρες της σειράς μπορούν να παράγουν τους όγκους που αναμένεται από τους βιομηχανικούς και αυτοκινητοβιομηχανικούς πελάτες. Αυτές οι συσκευές δεν επηρεάζονται από την επίπεδη επίδραση επειδή βασίζονται σε μονοστρώματα γραφενίου. Ως εκ τούτου, παρέχουν μεγαλύτερη ακρίβεια κατά τον προσδιορισμό της δύναμης του μαγνητικού πεδίου. Παρέχουν επίπεδα ανάλυσης χωρίς να απαιτούν πρόσθετο υλικό επεξεργασίας σήματος. Επομένως, το σύστημα αισθητήρων είναι πιο γραμμικό. Επιπλέον, έχουν μεγαλύτερο δυναμικό εύρος σε σύγκριση με τους συμβατικούς αισθητήρες εφέ βελτιώνοντας επίσης τη σταθερότητα θερμοκρασίας και την ανώτερη γραμμικότητα.

Παράδειγμα ενός αισθητήρα επίδρασης αιθουσών είναι ο πρώτος σε μια σειρά προηγμένων συσκευών βασισμένων στο γραφένιο που αναπτύχθηκαν από την εταιρεία

Με τη χρησιμοποίηση μιας διαδικασίας σύνθεσης που αλλάζει το παιχνίδι, το γραφένιο (και τα πολλά λειτουργικά πλεονεκτήματα που έρχονται με αυτό) μπορεί τελικά να χρησιμοποιηθεί σε εμπορικά παραγόμενες μικροηλεκτρονικές συσκευές. Οι κατασκευαστές ηλεκτρονικών εξαρτημάτων μπορούν τώρα να αποκτήσουν γραφένιο μεγάλης περιοχής μέσω χωρίς να παρεμποδίζονται από ζητήματα μόλυνσης. Ενώ έχουν γίνει πολλές προσπάθειες για να γίνει το γραφένιο βιώσιμο σε ένα περιβάλλον μικροηλεκτρονικής στο παρελθόν, αυτή είναι η πρώτη φορά που έχει πράγματι επιτευχθεί με τρόπο που ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις παραγωγής μεγάλου όγκου που απαιτούνται από τη βιομηχανία.