Исследователи Пуны превращают изоляционные MOF в полупроводники
Исследователи из Пуны, Индия, превратили Metal Organic Frameworks (MOF) в функциональный полупроводниковый материал. Как можно использовать такой материал в электронной промышленности и как это сделать?
Конец эпохи кремния
Чипы становятся все быстрее, поскольку отдельные транзисторы продолжают сокращаться. Это уменьшение размера позволяет увеличить количество транзисторов на куске кремния, о чем уже говорилось в законе Мура в течение многих лет (т. Е. Количество транзисторов, которые могут поместиться на чипе, удваивается каждые 18 месяцев). Именно это сокращение размера функции делает современные чипы лучше, чем их предшественники.
Однако закон Мура скоро подходит к концу, потому что транзисторы могут быть сделаны настолько маленькими до тех пор, пока квантовые явления не станут слишком большой проблемой. Например, устройства MOSFET полагаются на изоляцию, которая находится между затвором и объемным полупроводниковым материалом, чтобы функционировать правильно. Изолированный затвор является одним из факторов, которые помогают уменьшить количество тока, которое, в свою очередь, уменьшает тепло, генерируемое этим устройством. Однако, если ворота слишком тонкие, может произойти квантовое туннелирование, которое включает в себя электроны, «телепортирующие» из объемного материала в затвор, что приводит к текущему потоку. Этот ток увеличивает температуру отдельного транзистора на небольшое количество, но когда 1 миллиард транзисторов генерируют небольшое количество тепла, комбинированный эффект может быть разрушительным.
Однако все не потеряно, поскольку существуют альтернативы зависимости от сокращения транзисторов для технологического прогресса. Например, программное обеспечение может быть написано более тщательно при использовании новых, более быстрых алгоритмов. Архитектура аппаратного обеспечения также может быть изменена, чтобы использовать преимущества нескольких пакетов чипов, которые могут обрабатывать различные задачи (такие как сопроцессоры, такие как модули с плавающей точкой). Есть несколько инженеров и ученых, которые рассматривают более экзотические методы увеличения вычислительной мощности, включая ДНК с золотым покрытием, углеродные нанотрубки и даже квантовые компьютеры.
Одна группа исследователей из Института научного образования и исследований в Пуне, Индия, провела последние четыре года на альтернативном материале для кремния для будущих устройств.
Полупроводники Pune Group MOF Semiconductors
Исследовательская группа провела последние четыре года, пытаясь превратить изоляционные Металлоорганические рамки (MOF) в полупроводник. Используя нанохимия, они объединили MOF на основе кадмия с проводящим полимером для увеличения проводимости в миллиард раз. Мало того, что материал полупроводниковый, но он полупроводниковый при комнатной температуре, что является жизненно важным свойством для любого практического применения.
Полупроводник MOF. Изображение предоставлено IISER Pune
Для создания полупроводника без кремния исследователи заполняют поры в MOF на основе кадмия пиррольными мономерами. Затем йод вводят в MOF, который окисляет мономеры в полимеры, которые являются электропроводящими. Именно эти проводящие полимеры делают MOF полупроводником.
Интересно, что электропроводность MOF должна была снижать его флуоресцентную способность. Считалось, что это качество исчезнет из-за того, что флуоресценция зависит от того, что электроны могут прыгать между уровнями энергии. В проводниках электроны слабо удерживаются, что делает материал маловероятным флуоресцентным. Но, как оказалось, MOF все еще флуоресцирует даже в качестве полупроводника. Это то же самое нековалентное, слабое взаимодействие между MOF и полимером, что делает возможным увеличение проводимости.
В то время как новый материал представляет собой полупроводник с огромным повышением проводимости (по сравнению с оригинальным MOF), он все еще намного менее проводящий, чем кремний. Несмотря на это, исследователи показали, что органические материалы по-прежнему демонстрируют перспективность в будущих технологиях.
Аспирант Барун Дхара (справа) и д-р Нирмалия Баллав, члены исследовательской группы. Изображение предоставлено IISER Pune
Потенциальные применения
MOF обычно находятся в хранилище газа и сепарации растворителя, который помещает полупроводники на основе MOF в два возможных применения: газочувствительные и суперконденсаторы. Хотя датчики газа могут извлечь выгоду из таких устройств, суперконденсаторы могут быть полностью изменены благодаря полупроводникам MOF. Быстрые зарядки и разрядные батареи очень популярны, поскольку они позволяют удобную зарядку карманных устройств, таких как планшет и смартфоны.
Суперконденсаторы также приносят пользу приложениям, требующим большого количества энергии за короткий период времени, включая электрические автомобили и даже магнитные пусковые установки (например, катушечные пистолеты требуют сильных магнитных полей, которые в течение короткого периода времени тянут снаряды).
Подробная информация о системе i-ELOOP EDLC от Mazda в Mazda6. Изображение предоставлено Mazda
Резюме
Невозможно переоценить важность суперконденсаторов и новых технологий зондирования, поэтому исследования группы Pune настолько важны. Несмотря на то, что их полупроводник MOF имеет долгий путь, это, тем не менее, фантастическое достижение, которое может обеспечить будущее мгновенными зарядными аккумуляторами и передовыми полупроводниковыми датчиками.