Voor een gewone consument hebben de beste gadgets op de markt de hoogste snelheid, het grootste geheugen en de langste batterijduur. Bij het najagen van deze vraag houdt de voorhoede van het onderzoek vaak alleen rekening met deze tastbare prestatiegegevens bij het innoveren en ontwerpen van elektronica van de volgende generatie. In de nasleep van deze technologische stormloop liggen de gevolgen voor het milieu op de lange termijn onder het stof verborgen en verwaarloosd.

Onderzoekers van de Singapore University of Technology and Design (SUTD) hopen de katalysator te zijn voor op duurzaamheid gerichte wetenschap. Universitair docent Ang Yee Sin van de faculteit Wetenschap, Wiskunde en Technologie (SMT) merkt op dat veel materialen die in conventionele halfgeleiderapparaten worden aangetroffen, afkomstig zijn van extractieprocessen die schadelijk zijn voor het milieu, verontreinigende stoffen met een hoog risico zijn of ernstige gevaren voor de menselijke gezondheid opleveren.

"De duurzaamheid op materiaalniveau van de technologie van halfgeleiderapparaten wordt grotendeels genegeerd. Bovendien wordt verwacht dat veel elementen die in halfgeleiderapparaten worden gebruikt binnen de komende 100 jaar zullen zijn uitgeput", voegde hij eraan toe, wat bezorgdheid uitte over de lange termijn, end-to-end duurzaamheid. .

Met deze overwegingen in het achterhoofd stelde zijn onderzoeksteam een ​​nieuw verenigend raamwerk voor dat materialen met een laag risico voor verdere ontwikkeling identificeert. Drie primaire vragen vormden de leidraad voor hun aanpak:1) Hoe overvloedig zijn de grondstoffen? 2) Hoe kunnen we ze verkrijgen? 3) Wat is hun lot aan het einde van hun operationele levensduur?

"Op de lange termijn zou elektronica ook 'klimaatgestuurd' moeten zijn.' De grondstoffen van halfgeleidertechnologie en elektronica moeten compatibel zijn met de mondiale klimaatveranderingsagenda”, aldus assistent-professor Ang.

Asst Prof Ang en zijn team zochten samenwerking met onderzoekers uit de Verenigde Staten, China en Maleisië. Hun bevindingen werden gepubliceerd in een artikel met de titel "Toward duurzame ultrawide bandgap van der Waals materials:An ab initio screening effort", in Advanced Functional Materials .

In hun onderzoek concentreerden ze zich op de modernste computermethoden die worden gebruikt als aanvulling op het groeiende veld van nanostructuren en ultradunne 2D-materialen. Met de komst van moderne supercomputersystemen, uitgebreide databases en uiterst efficiënte software is simulatie-geïnformeerde computationele screening een populair accessoire geworden bij het versnellen van de formulering van 2D-materialen. Met deze aanpak worden kandidaatmaterialen op de shortlist gezet voor nauwkeurige experimentele prototyping-inspanningen.

Onderzoekers worden er echter vaak van weerhouden om naar milieuveilige opties te kijken, omdat ze geloven dat het afdwingen van op duurzaamheid gebaseerde screeningcriteria het aantal beschikbare sterke kanshebbers voor specifieke toepassingen aanzienlijk zou kunnen verminderen en tot slechte prestaties van het eindproduct zou kunnen leiden.

Om de levensvatbaarheid van onderzoek naar duurzame materialen aan te tonen, publiceerde het team een ​​analyse van mogelijke samenstellende materialen die beschikbaar zijn voor het duurzame ontwerp van ultrawide bandgap (UWBG) halfgeleiders. Deze specifieke klasse halfgeleiders speelt een cruciale rol in veel toepassingen, van transistors in computers en smartphones tot elektronica in voertuigen en UV-sensoren in branddetectoren en technologieën in de gezondheidszorg.

In hun onderzoek legde het team strenge beperkingen op aan de zoektocht naar ideale materialen. Deze materialen mogen geen risico's voor het milieu opleveren, zijn niet gevaarlijk voor de menselijke gezondheid en lopen geen gevaar van uitputting. Bovendien moeten ze voldoen aan de belangrijkste vereisten om als UWBG-halfgeleiders te dienen:ze moeten geschikt zijn voor standby-gebruik met laag vermogen, mechanisch robuust zijn en goed kunnen presteren als UV-detectoren. Het team wilde ook materialen die gemakkelijk in het laboratorium konden worden gesynthetiseerd om de toegankelijkheid voor diepgaander onderzoek te garanderen.

Onder deze zoekomstandigheden consolideerden de onderzoekers systematisch kandidaatmaterialen en voerden kwantumgeïnspireerde berekeningen uit op basis van de grondbeginselen (ab initio) om consistente nauwkeurigheid en prestaties te garanderen. Uit de oorspronkelijke 3.000 vermeldingen in de materialendatabase heeft het zoekalgoritme slechts 25 overgebleven kandidaten gezeefd. Op basis van eerdere onderzoeken is gebleken dat deze kandidaatmaterialen hoge prestaties leveren bij een breed scala aan toepassingen.

"Ons materiaalscreeningsraamwerk richt zich niet alleen op toepassingsscenario's en belangrijke prestatie-indicatoren, maar ook op de duurzaamheidscriteria die materialen uitsluiten die uit risicovolle elementen bestaan. Dit raamwerk stelt ons in staat materiaalkandidaten te identificeren die hoge prestaties laten zien en ook duurzaam zijn op het gebied van materiaal niveau", legt assistent-professor Ang.

De bevindingen van het team laten zien dat duurzaamheidsgedreven onderzoek mogelijk is, waarbij een evenwicht wordt bereikt tussen prestatie en duurzaamheid. Asst Prof Ang zei:"Ons duurzaamheidsgemotiveerde raamwerk voor materiaalscreening kan dienen als een cruciaal hulpmiddel bij het zoeken naar de bouwstenen van een groener elektronicalandschap, waar apparaten niet alleen sneller, lichter en goedkoper zijn en een langere levensduur van de batterij hebben, maar ook vriendelijk voor het milieu en de menselijke gezondheid."

Naast hun demonstratie heeft Asst Prof Ang er vertrouwen in dat het ontwikkelde raamwerk kan worden gebruikt voor andere materiaalklassen. Nu het besef groeit van de antropologische belasting voor het milieu, biedt het onderzoek een spannend platform voor wetenschappers, ingenieurs en onderzoekers om de technologieën van de volgende generatie en de compatibiliteit ervan met mondiale groene agenda's te heroverwegen.

Asst Prof Ang wil hun innovatie op het gebied van materiaalscreening graag generaliseren naar andere 2D-materialen. Het langetermijndoel van het team is om 2D-materialen te categoriseren en te scoren op basis van hun impact op het milieu, om een ​​holistische richtlijn te bieden die toekomstige studies verder kan informeren.

Meer informatie: Chuin Wei Tan et al., Op weg naar duurzame ultrabrede bandgap van der Waals-materialen:een ab initio screening-inspanning, Geavanceerde functionele materialen (2023). DOI:10.1002/adfm.202308679

Journaalinformatie: Geavanceerde functionele materialen

Aangeboden door de Singapore University of Technology and Design