گرافین، گالیوم نیترید و پروسکایت؛ با بهترین جایگزین‌های سیلیکون آشنا شوید

ظهور قطعات نیمه‌هادی که درون لوازم الکترونیکی استفاده می‌شوند، اتفاقی انقلابی بوده است. نیمه‌هادی‌ها به صورت خاص امکان پردازش انبوهی از داده را درون دیوایس‌هایی که روزبه‌روز کوچک‌تر می‌شوند فراهم آورده‌اند. بنابراین توانستیم در گذر زمان تکنولوژی پردازش را کوچک‌تر کرده و به اسمارت‌فون‌های امروزی دست پیدا کنیم و فضایی که لوازم الکترونیکی اشغال می‌کنند را به اندازه قابل توجهی کاهش دهیم. بنابراین این سوال مطرح است که چرا محققان اکنون در صدد یافتن جایگزین‌هایی برای سیلیکون برآمده‌اند که اصلی‌ترین ماده مورد استفاده در قطعات نیمه‌هادی است؟

هرچه در زمان پیش رفتیم، متوجه شدیم که این پیشرفت‌ها بدون هزینه نبوده‌اند. سیلیکون به عنوان اصلی‌ترین ماده مورد استفاده در طراحی دیوایس‌های الکترونیکی، حداقل از دو نظر دردسرساز بوده است. نخستین مشکل، تاثیر اجتماعی باورنکردنی این ماده روی کشورهایی بوده که مقادیر فراوانی از آن را در اختیار دارند. تولیدکنندگان بزرگ لوازم الکترونیکی و کمپانی‌های مختلف به سرعت به این مناطق حمله‌ور شده و فرصت‌های اقتصادی را نیز با خود به همراه برده‌اند. اما در کنار این فرصت‌ها، شاهد زنجیره‌های تولید غیر شفافی بوده‌ایم که آنقدرها اخلاق‌مدارانه مدیریت نمی‌شوند.

دومین مشکل اصلی به استخراج و تولید سیلیکون مرتبط است که آسیب فراوانی به محیط زیست کره خاکی وارد می‌کنند. بخش اعظمی از مشکلات زیست محیطی مربوط به پروسه استخراج می‌شوند، اما روند تولید دیوایس‌های الکترونیکی هم می‌تواند به جهان ارزشمندی که در آن زندگی می‌کنیم آسیب بزند. سیلیکون خالص به صورت طبیعی به دست نمی‌آید و بنابراین مجبور به تولید مصنوعی آن هستیم که این خود به تولید کربن مونوکسید منجر می‌شود. سایر عملیات‌های مرتبط با استخراج مواد نادر زمینی هم ضایعاتی مضر برای زیست‌محیط به همراه می‌آوند.

بزرگ‌ترین تولیدکننگان سیلیکون در جهان مانند چین، روسیه و ایالات متحده نظارتی تنها اندک بهتر و بیشتر از سایر همتایان خود بر متدهای تولید دارند. اما در بازارهای کوچک‌تر و کمتر قانون‌گذاری شده، خبری از تدابیر محافظتی یا پیش‌گیرانه نیست و استانداردهای امنیتی در پایین‌ترین میزان ممکن است. در واقع حتی چین و روسیه هم قوانینی نه‌چندان چفت‌وبست‌دار برای استخراج سیلیکون تعیین کرده‌اند و به این خاطر بارها مورد انتقاد قرار گرفته‌اند. ماهیت خطرناک استخراج سیلیکون ضمنا خطری برای جان تمام افرادی است که در این پروسه مشارکت دارند. برای مثال مواجهه دائمی با سیلیکون و استنشاق خاک آن در جریان پروسه استخراج، منجر به ابتلای فرد به بیماری سیلیکوزیس می‌شود. کارگران معادن سیلیکون به صورت مداوم ابتلا به این بیماری را تجربه می‌کنند و از اثرات منفی آن روی بدن رنج می‌برند.

اگرچه کمپانی‌ها بزرگ به صورت روتین نگرانی‌های مربوط به سلامتی را زیر سوال می‌برند، علم و تکنولوژی طی سال‌های اخیر به پیشرفت‌های فراوان دست یافته‌اند و قادر به ارائه جایگزین‌هایی قابل اتکا برای سیلیکون بوده‌اند.

گرافین

همان حوزه‌ای که منجر به کشف سیلیکون و یافتن کاربرد آن در لوازم الکترونیکی شده، می‌تواند به حل مشکلات کنونی کمک کند. استفاده از تکنولوژی نیمه‌هادی در لوازم الکترونیکی روزمره باعث شده ارتباطی تنگاتنگ میان علم مواد و علم فوتونیک شکل بگیرد و هردو بخشی اساسی در مهندسی الکترونیک به حساب می‌آیند. محققان در پژوهش‌های تازه خود در صدد تولید موادی هستند که آسیب‌های کمتری به همراه آورده و جایگزینی قابل اتکا و ارزشمند برای سیلیکون به حساب می‌آیند. یکی از این جایگزین‌های بالقوه، گرافین است.

گرافین ماده‌ای دوبعدی است که خاصیت انعطاف‌پذیری بسیار فراوان دارد. موارد استفاده بالقوه از گرافین بسیار زیاد هستند و از این ماده می‌توان از داروها و انرژی خورشیدی گرفته تا تکنولوژی حسگرها بهره گرفت. اما اصلی‌ترین پتانسیل گرافین را قطعا می‌توان در تولید لوازم الکترونیکی جستجو کرد. گرافین رساناترین ماده‌ای است که محققان تا به امروز کشف کرده‌اند. میکروچیپ‌های مجهز به گرافین می‌توانند میزبان ترانزیستورهای به مراتب بیشتری نسبت به مواد رایج دیگر نظیر سیلیکون باشند. خود این خاصیت به تنهایی باعث می‌شود لوازم الکترونیکی شکلی بهینه‌تر پیدا کنند. اما مزیت واقعی استفاده از گرافین این است که کربن نشر یافته در پروسه تولید سیلیکون از بین می‌رود.

در زمانی نه‌چندان دور، گرافین ماده‌ای بسیار گران‌قیمت بود. اما با پیشرفت‌های حاصل شده در زمینه چگالش بخار شیمیایی، تولید گرافین با هزینه‌هایی کمتر از همیشه انجام می‌شود. گرافین از قابلیت منحصر به فردی برخوردار است و می‌تواند جایگزینی مقرون به صرفه برای مواد پیچیده باشد.

پتانسیل‌ها و برخی محدودیت‌های گالیوم نیترید و پروسکایت

اگرچه گالیوم نیترید در مواردی که نیاز به انرژی بالاتر و دمای بیشتر است پرفورمنسی بهتر از سیلیکون از خود به نمایش می‌گذارد، اما تولید آن فرآیندی بسیار دشوار است و هزینه‌های بسیار بسیار بیشتری هم به وجود می‌آورد. از این نظر، گرافین به طور یقین گزینه‌ای بهتر به حساب می‌آید. یکی از خواص منحصر به فرد گرافین این است که می‌تواند مشخصه‌های مواد دیگر را به خود بگیرد.

ماهیت دوبعدی گرافین به محققان اجازه داده که قادر به بازتولید چندین لایه گالیوم روی یک فیلم گرافین باشند. این موضوع یکبار دیگر کارایی گرافین به عنوان راه‌ حلی پایدار در تولید لوازم الکترونیکی را به نمایش در می‌آورد. گرافین شاید از نظر موارد استفاده در میکروچیپ‌ها محدود باشد، اما می‌توان به کمک آن و به شکلی ارزان‌قیمت به بازتولید مواد بهینه‌تر پرداخت.

در فرم کنونی، تبدیل گالیوم به گالیوم نیترید به کمک گرافین، نواقصی به همراه می‌آورد و مقیاس‌پذیری چندانی هم ندارد. اما همینطور که به پیشرفت‌های بیشتری در تولید گالیوم نیترید دست پیدا می‌کنیم، طراحی‌های تازه نیز از راه خواهند رسید. با توجه به امکان استفاده از گالیوم نیترید در لوازم الکترونیکی پرحرارت، دیگری خبری از مشکلات رایج سیلیکون در چنین لوازمی نخواهد بود. البته باید این را در نظر داشت که سیلیکون همچنان عنصری حیاتی در پروسه تولید مواد جایگزین خود به حساب می‌آید. از سوی دیگر هنوز می‌توان بهینگی لوازم الکترونیکی مبتنی بر سیلیکون را به شکل چشمگیری افزایش داد و لزوما نیازی به استفاده از مواد جایگزین نیست.

پروسکایت هم ماده دیگری است که تسلط سیلیکون بر بازار لوازم الکترونیکی را تهدید می‌کند، اما بیشتر در حوزه انرژی خورشیدی. پروسه پالایش لیزری که از آن برای تولید مونوکریستالین یا پولی‌کریستالین سیلیکون استفاده می‌شود، سازگاری بیشتری با نواقص پروسکایت دارد. سیلیکون باید استاندارد بسیار بالاتری داشته باشد تا این پروسه را پشت سر بگذارد.

اصلی‌ترین محدودیت پروسکایت این است که ثبات کافی را برای تولید انبوه در مقادیر فراوان ندارد. متغیرهای زیادی می‌توانند به آن آسیب بزنند یا باعث بروز نقص شوند و پیش از اینکه شروع به استفاده گسترده از پروسکایت در سلول‌های انرژی خورشیدی کنیم، باید آن‌ها را از پیش رو برداریم.

جمع‌بندی

اگرچه سیلیکون ماده‌ای کلیدی در دنیای امروزی به حساب آمده و احتمالا به این زودی‌ها جایگزینی برای آن پیدا نشود، اما جهان دارد به سمت بی‌نیازی از این ماده حرکت می‌کند. مزایای کشف سیلیکون را داریم همه ما در زندگی روزمره خود احساس می‌کنیم. اما در عین حال لازم است که مضرات این ماده را نیز بشناسیم و درصدد برطرف‌سازی آن‌ها برآییم. در نتیجه جستجو برای جایگزین‌های بالقوه سیلیکون باید یکی از اولویت‌های دنیای علم و تکنولوژی باشد.

تمام تکنولوژی‌های خوبی که ما از آن لذت می‌بریم، چه یک اسمارت‌فون باشد، چه یک لیوان قهوه و چه حتی برق، بهایی کلان برای مردم و محیط زیست سراسر جهان به همراه می‌آورند. این بها سپس باید در قالب تغییرات اقلیمی و آسیب دیدن جوامعی که مواد مورد نیاز ما را به وفور دارند، پرداخته شود. اکنون بسیار مهم است که شرکت‌هایی که از استفاده از این مواد سود می‌برند و به پول و تکنولوژی‌های مورد نیاز دسترسی دارند، گام‌هایی برای پایداری هرچه بیشتر لوازم الکترونیکی و محیط زیست بردارند.