Forscher des Korea Institute of Science and Technology (KIST) haben ein synthetisches Material in Massenproduktion hergestellt, das direkte Anwendungen in zukünftigen Mikroprozessordesigns haben könnte. Ein Team unter der Leitung von Seung-Cheol Lee et al. hat nun das letzte Hindernis für die Massenproduktion einer synthetischen Verbindung namens MXene gelöst, die die Steuerung der elektronischen Eigenschaften eines Materials (und anderer) auf atomarer Ebene ermöglicht. Das Hindernis? Die uralten Fertigungsprobleme der Qualitätskontrolle und Ausbeute.
Wir können nicht über MXene sprechen, ohne zu wissen, dass sich das Wort nicht so sehr auf dieses spezielle Material bezieht, sondern auf ein Klasse von Materialien. MXenes, wie diese Materialklasse genannt wird, ist eine zweidimensionale Verbindung atomar dünner Schichten aus Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden. Durch einen komplexen Ätzprozess, der eine vorherige Vorbereitung der Verbindungen erfordert, kann die Fertigung nun Materialien herstellen, die auf atomarer Ebene entwickelt wurden.
Die Synthese von MXenen erfordert das Mischen von Verbindungen auf atomarer Ebene, sodass sie sich selbst neu organisieren können und ihre Neuorganisation unterstützt wird. Die Reorganisation kann durch Prozesse wie Sintern, Ätzen, Peeling (wo bestimmte subatomare Teilchen sind, an denen wir nicht interessiert sind weggeharkt aus der Verbindung), Vorbereitung für die Interkalation (die Einführung fremder, positiv geladener Kationen, die die elektrische Leitfähigkeit erhöhen) und Delaminierung (wo die Atomschichten in nützlichere und Tetris-ähnliche Teile zerlegt werden).
Die Zutaten, die wir für diese anfängliche Mischphase auswählen, bestimmen die endgültigen elektrischen Eigenschaften unseres Materials, wie z. B. einen geringeren elektrischen Widerstand (besonders interessant für unsere eigenen Zwecke, die schnellste und effizientere CPU zu haben), durch verbesserte Ionentransferfähigkeiten und andere, exotischere Vorteile.
Dann durchlaufen MXene normalerweise eine Sintern Reaktion, Ein Prozess, bei dem sie entweder erhitzt oder einem solchen Druck ausgesetzt werden, dass sich die Verbindungen auf eine für unsere Bedürfnisse nützliche Weise neu anordnen, ohne ihre grundlegenden Eigenschaften zu verändern. Bei manchen Materialien liegt dieser Punkt ungefähr genauso nah Verflüssigung wie möglich: Es ist die Präzision, auf einem einzigen Fuß zu balancieren. Abgesehen von diesen Materialien ermöglicht diese atomare Präzision die Herstellung von Nanoblättern für die Verbindung unserer Wahl, die nur 1 Nanometer dick sind.
Der MXene-Herstellungsprozess der koreanischen Forscher basiert auf einer Verbindung, die vom Halbleiter Silicen (Sc2CF2) abgeleitet ist. Sc2CO2und ein weiterer Halbleiter in Sc2C(OH)2. Diese Elemente (Verbindungen fundamentaler Teilchen) haben interessante elektronische und optische Eigenschaften gezeigt. Diese könnten Anwendungen in Batterien und Superkondensatoren erschließen, teilweise durch die Verbesserung der Stabilität und Leistung von Elektroden, Elektrolyten und Separatoren, könnten aber auch als potenzielle Materialien für zukünftige Halbleiterherstellungsprozesse verwendet werden, wenn sie auf Transistoren und andere Bits angewendet werden.
Ein Problem bei der Herstellung von zweidimensionalen, atomar dünnen Scheiben von Verbindungen, die auf atomarer Ebene angeordnet sind, besteht jedoch darin, dass es auch äußerst schwierig ist, zu überprüfen, ob die subatomaren Anordnungen korrekt sind: Es ist schwierig, in etwas so Winziges zu sehen. Bisher bedeutete diese Schwierigkeit bei der Qualitätskontrolle hergestellter MXene, dass die Überprüfung, ob diese Schichten funktionieren, einfach zu langsam war; In einer Pressemitteilung zu der von Seung-Cheol Lee geleiteten Forschung heißt es: „Selbst mit einem Hochleistungselektronenmikroskop dauert es mehrere Tage, die Moleküle auf der Oberfläche zu analysieren.“
Der mehrere Tage dauernde Prüfaufwand für die Prüfung einer einzelnen Verbundschicht würde für die Massenproduktion niemals ausreichen. Die Lösung kam aus der Physik: Durch das Scannen der Oberfläche der Nanoblätter nach Hall-Streufaktor (über einen proprietären Algorithmus) können die Forscher feststellen, ob die Materialien der Nanoblätter in einen von zwei möglichen Anwendungsbereichen fallen. Abhängig von der Mathematik können Materialien mit einem Hall-Faktor-Koeffizienten von weniger als 1 für „Hochleistungstransistoren, Hochfrequenzgeneratoren, hocheffiziente Sensoren und Fotodetektoren“ verwendet werden; wenn es höher als 1 ist, „kann es auf thermoelektrische Materialien und magnetische Sensoren angewendet werden.“
Die Fähigkeit, zwischen beidem zu unterscheiden – und dies durch bloße Anwendung eines Algorithmus – ist der Kickstarter für die Massenfertigung.
„Im Gegensatz zu früheren Studien, die sich auf die Produktion und die Eigenschaften von reinem MXene konzentrierten, ist diese Studie insofern von Bedeutung, als sie eine neue Methode für die Oberflächenmolekularanalyse bereitstellt, um hergestelltes MXene einfach zu klassifizieren“, sagte Seung-Cheol Lee, Direktor von IKIST. „Durch die Kombination dieses Ergebnisses mit experimentellen Studien gehen wir davon aus, dass wir den Produktionsprozess von MXene kontrollieren können, der zur Massenproduktion von MXene mit einheitlicher Qualität verwendet werden wird.“
Materialien der MXene-Klasse öffnen die Tür zu praktischen, synthetischen Verbindungen, die darauf ausgelegt sind, etwas zu leisten näher auf die idealen Spezifikationen, die wir für unsere Transistoren, Elektroden und anderes benötigen würden Design-Tools haben. Es bleibt abzuwarten, wie lange wir auf Produkte warten werden, die diese spezielle Mischung von Verbindungen, MXene, nutzen. Während die Tür zur Qualitätskontrolle und Ertragsüberprüfung nun offen steht, ist es eine Sache, diese Fähigkeit zu finden, und eine andere, die Menge an Ressourcen zu investieren, die für die Herstellung in großem Maßstab erforderlich ist. Aber wenn das Material wirklich das tut, was es soll – die Elektronik verbessern – dann wollen wir es eher früher als später. Moores Gesetz scheint all das zu brauchen Einfallsreichtum es kann bekommen.