Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Computer Controls
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Postęp i przyszłość technologii grafenowych

ghost666 03 Sep 2021 00:02 1344 23
  • Postęp i przyszłość technologii grafenowych
    Grafen stanowi atrakcyjną propozycję dla niemalże każdej możliwej dyscypliny inżynieryjnej, od wytrzymałych powłok po mechanizmy filtracji wody. Jednak światowy biznes półprzewodników wart obecnie prawie pół biliona dolarów rocznie, jest miejscem, w którym ten wyjątkowy materiał może mieć największy wpływ. W poniższym artykule przyjrzymy się, jakie konsekwencje może mieć grafen, zarówno w perspektywie krótkoterminowej, jak i znacznie dalszej, dla tego ogromnego, globalnego przemysłu.

    Grafen składa się z atomów węgla połączonych w arkusz o grubości jednego atomu - atomy są połączone ultrasilnymi wiązaniami atomowymi. Materiał ten zapewnia bardzo wysoką ruchliwość elektronów, czyli prędkość, z jaką elektrony poruszają się przez materiał po przyłożeniu napięcia. Analitycy branżowi z McKinsey szacują, że do 2030 roku roczny rynek półprzewodników na bazie grafenu osiągnie wartość około 70 miliardów dolarów. Istnieje perspektywa powstania cyfrowych układów scalonych, dyskretnych układów zasilania, wyświetlaczy i transceiverów optycznych, a także różnych form urządzeń czujnikowych nowej generacji, z których wszystkie skorzystają na stosowaniu grafenu do ich produkcji.

    Korzystając z grafenu, można by zwiększyć częstotliwość pracy procesorów i wydłużyć trwałość dysków półprzewodnikowych używanych do przechowywania danych. Możliwe będzie wyprodukowanie urządzeń bezprzewodowych, które będą wykorzystywać wyższą część widma częstotliwości radiowych, a jednocześnie pozostaną kompaktowe i niedrogie. Ogólna niezawodność tych urządzeń mogłaby zostać znacznie poprawiona dzięki podwyższonym temperaturom roboczym, a także większej odporności na przejściowe napięcia i wyładowania elektrostatyczne.

    Niesamowita zdolność grafenu do przewodzenia generowanego ciepła spowoduje, że mechanizmy zarządzania ciepłem będą musiały zajmować mniej miejsca. Jego doskonała tolerancja na promieniowanie sprawi, że będzie nieoceniony w zastosowaniach kosmicznych, a połączenie jego właściwości optycznych i elektrycznych będzie miało kluczowe znaczenie dla rozwoju fotoniki — umożliwiając szybszą modulację sygnałów optycznych i wyższy stopień czułości.

    Biorąc więc pod uwagę, że grafen został po raz pierwszy pomyślnie wyizolowany przez uniwersytecki zespół badawczy już w 2004 roku, a teraz mamy rok 2021 – dlaczego ten powszechnie celebrowany „cudowny materiał” nadal nie jest szeroko stosowany przez producentów chipów?

    Nadrzędnym problemem jest to, że chociaż grafen jest stosunkowo łatwy do wytworzenia na małą skalę w stabilnym środowisku laboratoryjnym, migracja jego produkcji do zakładów produkcji masowej wiąże się ze znacznymi wyzwaniami technicznymi. Jest to jednak coś, czego wyraźnie będą wymagać główni gracze w branży półprzewodników. Tutaj inwestycje w sprzęt produkcyjny są ogromne, więc akceptowalne marże zysku można osiągnąć tylko wtedy, gdy ilości wyjściowe są wystarczająco wysokie. Dlatego też synteza grafenu musi być wykonana w sposób całkowicie skalowalny.

    Lekcje wyciągnięte z historii

    Kluczem do zapewnienia przyjęcia grafenu w tym sektorze będzie zdolność do pomyślnego dostosowania procesu jego produkcji do ustalonych procesów wytwarzania półprzewodników. Musi istnieć odpowiednia receptura, aby można było zwiększyć produkcję do bardzo dużych ilości, a nie ograniczać się tylko do małych partii w zbyt wysokich cenach. W tym celu potrzebna jest metoda, za pomocą której można osadzić grafen na dużym obszarze.

    Są tu wyraźne podobieństwa do tego, co wydarzyło się w branży półprzewodników wiele dekad temu. Wczesne prototypy układów scalonych zestawione przez Jacka Kilby'ego dały pewne wyobrażenie o tym, co było możliwe, ale nie zbliżyły się do zaoferowania opłacalnego produktu końcowego. Dopiero odkrycie wydajnego sposobu wytwarzania tych urządzeń w dużych ilościach pozwoliło naprawdę zacząć działać sektorowi półprzewodnikowemu. Gdy w końcu udało się to osiągnąć, kilka lat później, sprzedaż układów scalonych rosła z roku na rok — nie stopniowo, ale w tempie bardzo zbliżonym do wykładniczego. Przyjęło się wówczas również słynne prawo Moore'a, a ze względu na przewidywane zwiększenie gęstości tranzystorów, koszty jednostkowe wciąż spadały.

    To, co było potrzebne, aby układy scalone odniosły sukces, to metody do ich łatwej produkcji w bardzo dużych ilościach przy niewielkich kosztach własnych — i jest to taka sama dynamika, która ma miejsce, gdy mówimy dzisiaj o grafenie. Dzięki znalezieniu efektywnej metody masowej produkcji grafenu, która jest odpowiednia do integracji półprzewodników, możliwe będzie wykorzystanie ekonomii skali, która napędza cały przemysł chipów.

    Ponowna ocena metodologii syntezy

    Obecnie komercyjna produkcja monowarstw grafenu o dużej powierzchni polega na chemicznym osadzeniu warstwy na katalizatorze metalowym (najczęściej w postaci folii miedzianej lub niklowej). Jeśli grafen ma zostać nałożony na użyteczne podłoże półprzewodnikowe, należy przeprowadzić procedurę transferu. Oznacza to konieczność wytrawienia warstwy miedzi, zebranie warstwy grafenu i przeniesienie jej na podłoże półprzewodnikowe, takiej jak krzem. Miedź z katalizatora, na którym pierwotnie wyrosła monowarstwa grafenu, może zostać zabrana ze sobą. Zanieczyszczenia pozostające w warstwie grafenu są szkodliwe i ograniczają niezawodność i parametry urządzenia. Ponadto często obserwuje się niespójności konstrukcyjne, które ograniczają maksymalne możliwe do osiągnięcia parametry układu.

    Poza wymienionymi powyżej kwestiami jakości, proces transferu jest bardzo pracochłonny. Utrudnia to integrację procesu z istniejącymi zakładami produkcyjnymi, a tym samym podnosi koszty. Wszystkie zasoby włożone w chemiczne osadzanie grafenu na miedzianym podłożu nie zdołały wytworzyć skalowalnego procesu, który wytwarza grafen o jakości wymaganej przez przemysł.

    Nowe podejście

    Firma Paragraf była pionierem alternatyw dla wadliwych metod osadzania chemicznego, które wspierają wielkopowierzchniową syntezę grafenu, jednocześnie zapewniając czystość produktu. Ich opatentowana technika metaloorganicznego chemicznego osadzania z fazy gazowej (MOCVD) oznacza, że ​​grafen może być hodowany bezpośrednio na podłożu półprzewodnikowym, zamiast konieczności przenoszenia, co pozwala uniknąć wszelkich problemów związanych z takimi działaniami. MOCVD zapewnia konsekwentnie powtarzalne wyniki i dostosowuje syntezę grafenu do standardowych procesów, które stanowią największy udział w dzisiejszej produkcji półprzewodników. Wytworzony grafen wykazuje wysoki stopień jakości struktury, unikając jednocześnie problemów związanych z zanieczyszczeniami, które są związane z innymi metodami.

    Osadzanie grafenu jest punktem wyjścia do szerokiego zastosowania tego materiału w zastosowaniach półprzewodnikowych. Od tego momentu wzrost dielektryków na lub pod grafenem, litografia i wytwarzanie kontaktów metodami depozycji próżniowej odgrywają rolę w projektowaniu danego urządzenia. Przyjęcie nowych metod wzrostu grafenu otwiera branżę na wykorzystanie jego właściwości i opracowanie komplementarnych technologii wytwarzania urządzeń.

    Możliwe jest zastosowanie szerokiej gamy różnych podłoży półprzewodnikowych – takich jak krzem (Si), azotek galu (GaN), węglik krzemu (SiC) i german-krzem (SiGe). Wszystkie rodzaje produktów półprzewodnikowych można zatem ulepszyć poprzez włączenie do nich elementów grafenowych. Co więcej, proces będzie prosty dla producentów chipów, a nakłady potrzebne, aby przyswoić nowe metodologie pracy będą minimalne.

    Przyszłość grafenu w półprzewodnikach

    Obecne możliwości produkcyjne pozwalają na produkcję tylko niewielkich ilości urządzeń półprzewodnikowych z grafenem. Jednak nowe i istniejące partnerstwa w branży półprzewodników umożliwią rozszerzenie zdolności do pełnego poziomu produkcji. Produkty na bazie grafenu pozostaną droższe niż ich alternatywy w perspektywie krótkoterminowej, dopóki łańcuchy dostaw nie zostaną w pełni rozwinięte i nie zostaną zrealizowane korzyści wynikające z ekonomii skali. Nastąpi jednak natychmiastowa, skokowa zmiana w parametrach urządzeń dostępnych z urządzeń opartych na grafenie.

    Grafenowe czujniki Halla opracowane przez firmę Paragraf są obecnie coraz częściej stosowane w przemyśle, a fizyka cząstek o wysokiej energii jest jednym z obszarów o największej jak dotąd skali ich zastosowania. Opublikowana współpraca między Paragraf i CERN wykazała, że ​​grafenowe czujniki Halla (GHS) wykazują znikomy planarny efekt Halla, redukujący dokładność pomiaru. Ta właściwość, która oddziela grafen od innych materiałów, umożliwia wykorzystanie nowych rodzajów technik charakteryzowania pól magnetycznych o wysokiej dokładności. Oczekuje się, że wkrótce zaczną pojawiać się również komponenty RF wzmocnione grafenem oraz modulatory optyczne. Półprzewodniki oparte na grafenie będą nadal nabierać rozpędu w nadchodzących latach, w miarę stopniowego dojrzewania tego sektora.

    Źródło: https://www.eetimes.com/charting-graphenes-progress/

    Cool! Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 10556 posts with rating 8910, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • Computer Controls
  • #2
    PEJO
    Level 22  
    Cudowny materiał. Czy ktoś zbadał jak ciało człowieka metabolizuje grafen? Czy tak jak z azbestem po latach używania gdzie się da, okaże się że no trudno nie wiedzieliśmy...
    Super że wszystko będzie szybsze, mniejsze, leprzejsze od dobrego, ale co jest ważniejsze zdrowie czy lepsze gadżety?
  • Computer Controls
  • #3
    KonradGatek
    Level 24  
    ghost666 wrote:
    wydłużyć trwałość

    Znaczy się, będzie można przyoszczędzić na materiale. Będą pracować tyle samo, ale będzie mniej materiału.
    Obecna technika umożliwia wykonanie samochodu, który będzie jeździł milion km. Tylko, kiedy wszyscy będą mieli bardzo trwałe urządzenia, co będzie robić fabryka?
  • #4
    atom1477
    Level 43  
    PEJO wrote:
    Super że wszystko będzie szybsze, mniejsze, leprzejsze od dobrego, ale co jest ważniejsze zdrowie czy lepsze gadżety?

    A co to ma do rzeczy?
    A arsenek galu z LEDów to niby jest zdrowy? Zatrułeś się kiedyś diodą LED?
    To że coś jest szkodliwe, nie znaczy że Ci zaszkodzi. To wszystko jest zamknięte w obudowie, i nie ma do tego dostępu.
    Poza tym grafen jest akurat niezbyt szkodliwy. Grafen masz w ołówku. Wielokrotne dotykanie, ścieranie, a nawet obgryzanie, jeszcze żadnemu dziecku w szkole nie zaszkodziło.
  • #5
    KonradGatek
    Level 24  
    atom1477 wrote:
    A arsenek galu z LEDów to niby jest zdrowy? Zatrułeś się kiedyś diodą LED?

    A rtęć z termometrów to niby jest zdrowa? Zatrułeś się kiedyś termometrem?
    atom1477 wrote:
    To wszystko jest zamknięte w obudowie, i nie ma do tego dostępu.

    No jest przecież w szkle.
  • #6
    atom1477
    Level 43  
    Porównanie do termometru jest bez sensu.
    Porównywać trzeba rzeczy odpowiadające sobie.
    Czyli element elektroniczny z elementem elektronicznym (ciało stałe vs ciało stałe).
    Obudowa się przecież nie zmieni. Zmieni się tylko wewnętrzna struktura półprzewodnikowa.
  • #7
    Jacekser
    Level 21  
    Najpierw dany środek musi zaistnieć by po iluś tam latach,promocjach,lobbowaniu,a w końcu jakimś niepożądanych efektach zostać zastąpionym przez inne g... określane (prawie-)zdrowym i pożądanym (czytaj-dającym zarobić) i będącym mniej agresywnym dla środowiska niż poprzednie.Jakoś wóda i papierochy ,poza akcjami ostrzegawczymi o chorobotwórczym działaniu wciąż są w obrocie.Także to wszystko jeszcze przed nami.
  • #8
    KonradGatek
    Level 24  
    Jacekser wrote:
    Jakoś wóda i papierochy ,poza akcjami ostrzegawczymi o chorobotwórczym działaniu wciąż są w obrocie.

    Bo jest na to zapotrzebowanie i przyzwolenie społeczne, a i państwo zarabia. Jest to z nami od lat, tak jak broń w USA, AFG, RUS itd.
    Leżą sobie trzy grupy po dwa trupy:
    od wódy
    od heroiny
    od raka
    od kowida
    od pijanego kierowcy
    po strzelaninie.
    Pytanie: gdzie jest najwięcej gapiów? Oczywiście, przy heroinie, strzelaninie i kowidzie.
    Bo to normalne, że od wódy i raka ludzie umierają. W końcu muszą na coś umrzeć, no. No normalnie, jeden się zachlał, a drugi chodził, i nagle go zaczęło boleć i umarł. Normalne, Panie.
  • #9
    PEJO
    Level 22  
    A co to ma do rzeczy?
    A arsenek galu z LEDów to niby jest zdrowy? Zatrułeś się kiedyś diodą LED?
    To że coś jest szkodliwe, nie znaczy że Ci zaszkodzi. To wszystko jest zamknięte w obudowie, i nie ma do tego dostępu.
    Poza tym grafen jest akurat niezbyt szkodliwy. Grafen masz w ołówku. Wielokrotne dotykanie, ścieranie, a nawet obgryzanie, jeszcze żadnemu dziecku w szkole nie zaszkodziło.

    Filtr do wody z grafenu, farba grafenowa... Już się nie martw pazerny przemysł znajdzie zastosowanie wszędzie gdzie bedzie można to sprzedać. Nawet bez obudowy:)
    W ołówku jest grafen? :)
    To musi być bardzo drogi ołówek... Grafit sam z siebie nie stworzy upożądkowanej struktury atomowej.
  • #11
    Jarzabek666
    Level 35  
    Przecież pierwszy grafen właśnie wytworzono z rysika ołówka i taśmy.. Ale te pozyskiwanie grafenu nie jest opłacalne i na dużą skalę.
  • #12
    PEJO
    Level 22  
    Grafit naturalny dzieli się ogólnie na trzy typy znane jako grafit płatkowy, grafit żyły i grafit amorficzny. W ołówku jest zmielony amorficzny z domieszką plastyfikatorów. Taśma klejąca i płatkowa forma czystego grafitu płatkowego pozwala na uzyskanie grafenu ale porzeba bardzo bardzo dużo razy odklejać a na końcu uzyska się warstwe na podłożu z kleju, która jest nie równa i trzeba mieć bardzo dużo szczęścia podczas jej odklejania:) jak by to było takie proste to już byś spotkał grafen w byle komercyjnym badziewiu...
  • #13
    atom1477
    Level 43  
    Nie chodziło o uzyskiwanie grafenu z ołówka do celów przemysłowych.
    Chodzi o oddzielanie się grafenu od ołówka, w celu sprawdzenia jego szkodliwości na człowieka.
    On się na pewno oddziela. Nie ma odpowiedniej czystości i struktury (co celów przemysłowych) ale jak najbardziej jest to grafen, więc jego szkodliwość jest taka jak grafenu. I chodziło tylko o to że to można wykorzystać do sprawdzenia czy jest szkodliwy.
  • #14
    Jogesh
    Level 28  
    W patentach Google można znaleźć zastosowanie grafenu jako nośnik dla szczepionek. Niestety w jakimś krzaczkowatym alfabecie. Tak więc jak pójdzie moda, technologia produkcji bardzo stanieje, to będą go wszędzie pakować.
  • #15
    clubber84
    Level 27  
    Jeśli wynaleziono metodę warstwowania struktury grafenu na przewodniku i półprzewodniku, to już niedługo zapewne wynajdą warstwowanie na innych pierwiastkach lub dielektrykach.
    A ten krzaczkowaty alfabet to nie czasem południowokoreański?
  • #16
    PEJO
    Level 22  
    Panie atom1477
    W jaki sposób z postaci amorficznej uzyskać postać krystaliczną?
    To tak jakbś tnąc gąbkę na plasterki chciał uzyskać taki co by wyglądał jak idealny plaster miodu.
    Poza tym jak ma się samo oddzielać jedno z najmocniejszych wiązań w przyrodzie? Z kąd ta pewność? Jakieś doświadczenia?
  • #17
    szeryf3
    Level 22  
    Nasze gadanie nic nie zmieni czy grafen, lub GaN jest zły czy dobry. Jeżeli to popycha technologie do przodu i będzie to opłacalne i będzie to przynosiło wymierne zyski to będzie to produkowane.
    Przypomnijcie sobie film ,, Konopielka'' jak ludzie bronili się przed elektryfikacją.
  • #18
    atom1477
    Level 43  
    PEJO wrote:
    W jaki sposób z postaci amorficznej uzyskać postać krystaliczną?
    To tak jakbś tnąc gąbkę na plasterki chciał uzyskać taki co by wyglądał jak idealny plaster miodu.

    Ale ona jest krystaliczna od razu. Tylko kryształy są mniejsze.
    Ciągle nie rozumiesz że mówiłem o grafenie z ołówka w kontekście szkodliwości na zdrowie, a nie w kontekście produkcji układów scalonych.
    Zresztą weź pod uwagę że duże kryształy są potrzebne tylko na etapie produkcji, dla zmniejszenia kosztów produkcji. Ale do układu scalonego i tak trafia malutki fragment. Dla użytkownika ważna jest więc szkodliwość tego małego kawałka, a nie szkodliwość dużego jednorodnego kryształu.

    No a najważniejsze że żadnej szkodliwości nie będzie, gdy to będzie zamknięte w obudowie. Nawet gdyby przełamać obudowę, to grafen się od niej nie odczepi bo jest zbyt cienki. Pozostanie na jednym z kawałków. To będzie mały kawałek, w dodatku ze zniszczoną strukturą, przyczepiony do innego ciała stałego. Zupełnie jak grafen z powierzchni ołówka, lub grafen z powierzani kartki po którym pisano ołówkiem. Nie pasuje Ci przykład ołówka? To weź szczotki z silnika. Też Ci nie pasuje? To grafit do spawania.
    To nie jest czysty grafen? Też bez różnicy. Fosfor biały nie musi być monokrystaliczny i czysty aby być szkodliwym. Szkodliwy jest w dowolnej postaci, gdzie znajdą się jakieś małe ilości tego fosforu (również w zapałkach, gdzie był mieszany z innymi substancjami).
    Jakby grafen miał być szkodliwy, to też by był w dowolnej postaci. Również zanieczyszczonej i polikrystalicznej.
  • #19
    silvvester
    Level 24  
    PEJO wrote:
    Cudowny materiał. Czy ktoś zbadał jak ciało człowieka metabolizuje grafen?


    Myślę że kolega pomylił grafen z nanorurkami.
    https://www.focus.pl/artykul/nanorurki-moga-byc-rakotworcze
    Bawiłem się nimi kiedyś i też chciałem sprawdzić szkodliwość, dlatego ten artykuł zapamiętałem. Co do grafenu, z tego co widzę ciężko z trawieniem selektywnym. Chciałby poznać metodę kształtowania ścieżek grafenu inną niż odparowanie laserowe.
  • #20
    PEJO
    Level 22  
    Nie pomyliłem grafenu z nanorurkami.
    W ołówku nie występuje grafen, jeśli się myle prosze podać przykład, doświadczenie lub osobe która znalazła grafen w ołówku- obojętnie jakich rozmiarów. Niech eksperyment pokaże prawde, której sam jestem ciekaw:)
    Ps.
    Panie Atom1477 kryształy węgla to tzw. Diamenty, gdzie pan kupuje ołówki? Można by nimi szkło ciąć... ;)
  • #21
    atom1477
    Level 43  
    https://mdpi-res.com/d_attachment/ChemEnginee...7/article_deploy/ChemEngineering-03-00037.pdf
    https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0008622312001984
    https://www.rs-online.com/designspark/graphene-unexpected-science-in-a-pencil-line
    https://medium.com/swlh/graphene-the-next-big-step-at-the-tip-of-our-pencils-66f932a254e8

    Pierwszy link najlepszy. Z obrazkami. Masz obrazek jak z ołówka wyodrębniają pojedyncze warstwy grafenu.

    PEJO wrote:
    Panie Atom1477 kryształy węgla to tzw. Diamenty, gdzie pan kupuje ołówki? Można by nimi szkło ciąć... ;)

    Panie PEJO, kryształy węgla występują w wielu odmianach alotropowych. Diament to tylko jedna z nich. (bardziej precyzyjnie to napisać: węgiel występuje w wielu układach sieci krystalicznej, z której diament to tylko jedna z nich)
    Mało tego, nawet nie wiesz czym jest grafit. Grafit to ... stos warstw grafenu. Widać nawet tego nie wiedziałeś, skoro wątpiłeś że w graficie jest grafen. Grafen to podstawowy i obowiązkowy składnik grafitu. Bez grafenu nie ma grafitu. Nie ma takiego grafitu w którym by nie było grafenu.
    Kiedy w końcu przyjmiesz to do wiadomości?
  • #22
    PEJO
    Level 22  
    Holercia faktycznie żyłem w błędzie.
    Dziękuje. Mój błąd.
    Jeśli można spytać, czy grafen jest kryształem? Mi to pojęcie jakoś nie pasuje do czegoś dwuwymiarowego.
  • #24
    kamil3211
    Level 3  
    Naszły mnie teraz takie przemyślenia czytając o tym grafenie.
    W świecie elektroniki wszystko dąży do ideału. Mniej strat więcej zysków mniejsze koszty produkcji.
    Ale zastanawia mnie to czy błędy popełniane przez ludzi będą coraz bardziej bolesne.
    Np teraz robisz zwarcie na akumulatorze miedzianym przewodem przypadkiem i płynie duży prąd,.
    A teraz przewód miedziany zastąpić przewodem grafenowym o rezystancji 1000 razy mniejszej a akumulator zwykły jakimś lepszej jakości o wydajności prądowej 1000 razy większej (może też coś związane z technologią grafenową) to konsekwencje tych błędów będą bardziej tragiczne . Nie będzie to rewolucja przemysłowa jedyne co się zmieni to lepsza jakość materiału.
    Prawo ohma zostaje. Assembler będzie assemblerem. c++ dalej c++. Wzrośnie szybkość. Jedyne czego się boję to podejścia do programowania.
    Programiści pythona wiedzą że jest on wolny czasem bez znaczenia a czasem z . A teraz jak dostaną procesory szybsze 1000 razy to wszędzie będą go wciskać(o dziwo tych których znam to są to naiwni ludzie i nie kumaci zamykający się w jednym języku) i marnować moc obliczeniową
    Taki obrazek mniej więcej to obrazuje :)
    https://twitter.com/code_memez/status/1319281518942941187?lang=da