Je hebt misschien gehoord van grafeen, een vel pure koolstof, een atoom dik, dat is de rage in materiaalwetenschappelijke kringen, en krijgt ook veel mediahype. Rapporten hebben grafeen als een ultradun, Super sterk, supergeleidend, superflexibel materiaal. Je zou verontschuldigd kunnen zijn als je denkt dat het zelfs de hele mensheid zou kunnen redden van een zeker onheil.

Niet precies. In de huidige wereld van nano-elektronica, er is veel meer aan de hand dan alleen grafeen. Een van de materialen waar ik mee werk, molybdeendisulfide (MoS₂), is een eenlaags materiaal met interessante eigenschappen die verder gaan dan die van grafeen. MoS₂ kan vijf keer zoveel zichtbaar licht absorberen als grafeen, waardoor het bruikbaar is in lichtdetectoren en zonnecellen. In aanvulling, zelfs nieuwere materialen zoals borofeen (een eenlaags materiaal gemaakt van booratomen waarvan verwacht wordt dat het mechanisch sterker is dan grafeen) worden elke dag voorgesteld en gesynthetiseerd.

Deze en andere materialen die nog moeten worden ontdekt, zullen worden gebruikt als Lego-stukken om de elektronica van de toekomst te bouwen. Door meerdere materialen op verschillende manieren te stapelen, we kunnen profiteren van verschillende eigenschappen in elk van hen. De nieuwe elektronica die met deze gecombineerde structuren wordt gebouwd, zal sneller zijn, kleiner, milieuvriendelijker en goedkoper dan wat we nu hebben.

Op zoek naar een energiekloof

Er is een belangrijke reden dat grafeen niet het veelzijdige wondermiddel zal zijn dat de hype zou kunnen suggereren. Je kunt grafeen niet zomaar herhaaldelijk stapelen om te krijgen wat je wilt. De elektronische eigenschap die dit verhindert, is het ontbreken van wat een 'energiekloof' wordt genoemd. (De meer technische term is "band gap.")

Metalen geleiden er elektriciteit doorheen, ongeacht de omgeving. Echter, elk ander materiaal dat geen metaal is, heeft een kleine energiestoot van buitenaf nodig om elektronen door de bandgap en in de geleidende toestand te krijgen. Hoeveel een boost het materiaal nodig heeft, wordt de energiekloof genoemd. De energiekloof is een van de factoren die bepaalt hoeveel totale energie er in uw hele elektrische apparaat moet worden gestopt, van warmte of aangelegde elektrische spanning, om het elektriciteit te laten geleiden. Je moet in wezen voldoende startenergie inbrengen als je wilt dat je apparaat werkt.

Sommige materialen hebben een opening die zo groot is dat bijna geen enkele hoeveelheid energie ervoor kan zorgen dat elektronen er doorheen stromen. Deze materialen worden isolatoren genoemd (denk aan glas). Andere materialen hebben ofwel een extreem kleine opening of helemaal geen opening. Deze materialen worden metalen genoemd (denk aan koper). Daarom gebruiken we koper (een metaal met onmiddellijke geleidbaarheid) voor bedrading, terwijl we plastic (een isolator die elektriciteit blokkeert) gebruiken als de beschermende buitenlaag.

Al de rest, met gaten tussen deze twee uitersten, wordt een halfgeleider genoemd (denk aan silicium). Halfgeleiders, bij de theoretische temperatuur van het absolute nulpunt, gedragen zich als isolatoren omdat ze geen warmte-energie hebben om hun elektronen in de geleidende toestand te krijgen. Op kamertemperatuur, echter, warmte uit de omgeving levert net genoeg energie om wat elektronen te krijgen (vandaar de term, "half"-geleidend) over de kleine bandgap en in de geleidende toestand klaar om elektriciteit te geleiden.

De energiekloof van grafeen

Grafeen is in feite een halfmetaal. Het heeft geen energiekloof, wat betekent dat het altijd elektriciteit zal geleiden - je kunt de geleidbaarheid niet uitschakelen.

Dit is een probleem omdat elektronische apparaten elektrische stroom gebruiken om te communiceren. Op hun meest fundamentele niveau, computers communiceren door het verzenden van enen en nullen – aan en uit signalen. Als de componenten van een computer van grafeen waren gemaakt, het systeem zou altijd aan staan, overal. Het zou geen taken kunnen uitvoeren omdat het gebrek aan energiekloof verhindert dat grafeen ooit een nul wordt; de computer zou de hele tijd 1's blijven lezen. Halfgeleiders, daarentegen, hebben een energiekloof die klein genoeg is om sommige elektronen elektriciteit te laten geleiden, maar groot genoeg is om een ​​duidelijk onderscheid te maken tussen aan en uit toestanden.

De juiste materialen vinden

Niet alle hoop is verloren, echter. Onderzoekers kijken naar drie manieren om dit aan te pakken:

Nieuwe materialen gebruiken die vergelijkbaar zijn met grafeen die daadwerkelijk een voldoende energiekloof hebben en manieren vinden om hun geleidbaarheid verder te verbeteren. Grafeen zelf veranderen om deze energiekloof te creëren. Grafeen combineren met andere materialen om hun gecombineerde eigenschappen te optimaliseren.

Er worden momenteel veel enkellaagse materialen bekeken die daadwerkelijk een voldoende energiekloof hebben. Een dergelijk materiaal, MoS₂, is de afgelopen jaren onderzocht als mogelijke vervanging voor traditioneel silicium en ook als lichtdetector en gassensor.

Het enige nadeel van deze andere materialen is dat tot nu toe, we hebben er geen gevonden die overeenkomt met de uitstekende, maar altijd ingeschakelde geleidbaarheid van grafeen. De andere materialen kunnen worden uitgeschakeld, maar wanneer aan, ze zijn niet zo goed als grafeen. MoS₂ zelf heeft naar schatting 1/15e tot 1/10e van de geleidbaarheid van grafeen in kleine apparaten. onderzoekers, mij inbegrepen, zijn nu op zoek naar manieren om deze materialen te veranderen om hun geleidbaarheid te vergroten.

Grafeen gebruiken als ingrediënt

Vreemd, een energiekloof in grafeen kan daadwerkelijk worden geïnduceerd door modificaties zoals buigen, er een nanolint van maken, door er vreemde chemicaliën in te steken of door twee lagen grafeen te gebruiken. Maar elk van deze modificaties kan de geleidbaarheid van grafeen verminderen of het gebruik ervan beperken.

Om gespecialiseerde instellingen te vermijden, we zouden grafeen gewoon kunnen combineren met andere materialen. Door dit te doen, we combineren ook de eigenschappen van de materialen om de beste voordelen te behalen. We konden, bijvoorbeeld, nieuwe elektronische componenten uitvinden die een materiaal hebben waardoor ze aan of uit kunnen worden gezet (zoals MoS₂), maar die de geweldige geleidbaarheid van grafeen hebben wanneer ze worden ingeschakeld. Nieuwe zonnecellen zullen op dit concept werken.

Een gecombineerde structuur zou bijvoorbeeld, een zonnepaneel zijn dat is gemaakt voor ruwe omgevingen:we kunnen een dunne, transparant beschermend materiaal over de top van een zeer efficiënt zonnecollecterend materiaal, die op zijn beurt bovenop een materiaal kan zijn dat uitstekend is in het geleiden van elektriciteit naar een nabijgelegen batterij. Andere middelste lagen kunnen materialen bevatten die goed zijn in het selectief detecteren van gassen zoals methaan of koolstofdioxide.

Onderzoekers haasten zich nu om erachter te komen wat de beste combinatie is voor verschillende toepassingen. Wie de beste combinatie vindt, wint uiteindelijk talloze rechten op patenten voor verbeterde elektronische producten.

De waarheid is, Hoewel, we weten niet hoe onze toekomstige elektronica eruit zal zien. Er worden voortdurend nieuwe Lego-stukken uitgevonden; de manieren waarop we ze stapelen of herschikken veranderen voortdurend, te. Het enige dat zeker is, is dat de binnenkant van elektronische apparaten er in de toekomst drastisch anders uit zal zien dan nu.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.