Elektronik der Zukunft. Grün in nachhaltigen 2D-Materialien… | von Seren Demir | Dez. 2023

Für den Alltagsverbraucher verfügen die besten Tools auf dem Markt über die schnellste Geschwindigkeit, den größten Speicher und die längste Akkulaufzeit. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, berücksichtigt die Spitzenforschung häufig diese konkreten Leistungskennzahlen bei der Innovation und Entwicklung von Elektronikgeräten der nächsten Generation. Im Zuge dieses technologischen Ansturms wurden die langfristigen Auswirkungen auf die Umwelt übersehen und vernachlässigt. Forscher der Singapore University of Technology and Design (SUTD) hoffen, der Katalysator für eine auf Nachhaltigkeit ausgerichtete Wissenschaft zu sein. Assistenzprofessor Ang Yee Sin von der Fakultät für Naturwissenschaften, Mathematik und Technologie (SMT) weist darauf hin, dass viele Materialien in herkömmlichen Halbleiterbauelementen aus Extraktionsprozessen stammen, die die Umwelt schädigen, ein hohes Schadstoffrisiko darstellen und eine ernsthafte Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellen.

Die zentralen Thesen

Die bahnbrechende Forschung an der Singapore University of Technology and Design erforscht nachhaltige 2D-Materialien für die Halbleitertechnologie.

Die Studie bietet einen neuen Rahmen für die Auswahl umweltfreundlicher und gesundheitsfreundlicher 2D-Materialien.

Mithilfe fortschrittlicher Rechenmethoden wählt die Forschung nachhaltige Materialien für Halbleiter mit extrem großer Bandlücke aus, die in vielen elektronischen Geräten benötigt werden.

Durch ein strenges Screening identifiziert das Team 25 vielversprechende 2D-Materialkandidaten aus dem anfänglichen Pool. 3.000 beweist ein Engagement für nachhaltiges elektronisches Design.

Diese Initiative unterstreicht die Bedeutung der Ausrichtung der Technologieentwicklung der nächsten Generation an globalen Umwelt- und Gesundheitsstandards.

Forschung

Ergebnisse Advanced Functional Materials’da veröffentlicht (Toward Sustainable Ultrawide Bandgap van der Waals Materials: An ab initio Screening Effort). Die Nachhaltigkeit der Halbleiterbauelementtechnologie auf Materialebene wird weitgehend ignoriert. Darüber hinaus wird erwartet, dass viele Elemente, die in Halbleiterbauelementen verwendet werden, innerhalb der nächsten 100 Jahre aufgebraucht sein werden. Dies hat Bedenken hinsichtlich der End-to-End-Nachhaltigkeit geweckt.

Unter Berücksichtigung dieser Aspekte schlug das Forschungsteam einen neuen einheitlichen Rahmen vor, der risikoarme Materialien für die weitere Entwicklung identifiziert.

Ihr Ansatz wurde von drei grundlegenden Fragen geleitet:

(1) Wie reichlich sind Rohstoffe vorhanden?

(2) Wie können wir diese erhalten?

(3) Welches Schicksal haben sie am Ende ihrer Betriebsdauer?

„Langfristig sollte auch die Elektronik ‚klimafokussiert‘ sein. „Die Rohstoffe der Halbleitertechnologie und Elektronik müssen mit der globalen Klimaschutzagenda kompatibel sein“, sagte er.

In ihrer Arbeit konzentrierten sie sich auf modernste Rechenmethoden, die zur Unterstützung des wachsenden Bereichs der Nanostrukturen und ultradünnen 2D-Materialien eingesetzt werden. Mit dem Aufkommen moderner Supercomputersysteme, umfassender Datenbanken und Hochdurchsatzsoftware ist das simulationsbasierte Computerscreening zu einem beliebten Hilfsmittel zur Beschleunigung der 2D-Materialformulierung geworden. Bei diesem Ansatz werden Kandidatenmaterialien für präzise experimentelle Prototyping-Bemühungen in die engere Wahl gezogen.

Forscher werden jedoch oft davon abgehalten, nach umweltfreundlichen Optionen zu suchen, da sie davon ausgehen, dass die Anwendung nachhaltigkeitsorientierter Prüfkriterien die Zahl der starken Wettbewerber für bestimmte Anwendungen erheblich reduzieren und zu einer schlechten Leistung des Endprodukts führen kann.

Um die Machbarkeit nachhaltiger Materialforschung zu demonstrieren, veröffentlichte das Team eine Analyse möglicher Komponentenmaterialien, die für das nachhaltige Design von Halbleitern mit ultrabreiter Bandlücke (UWBG) verfügbar sind. Diese spezielle Klasse von Halbleitern spielt in vielen Anwendungen eine entscheidende Rolle, von Transistoren in Computern und Smartphones über elektronische Geräte in Fahrzeugen bis hin zu UV-Sensoren in Brandmeldern und Gesundheitstechnologien.

Bei seiner Arbeit legte das Team strenge Vorgaben bei der Suche nach dem idealen Material. Diese Materialien sollten keine Gefahr für die Umwelt darstellen, nicht gesundheitsschädlich sein und nicht vom Abbau bedroht sein. Darüber hinaus müssen sie grundlegende Anforderungen erfüllen, um als UWBG-Halbleiter dienen zu können: Sie müssen für den Standby-Betrieb mit geringem Stromverbrauch geeignet sein, mechanisch robust sein und eine ebenso gute Leistung wie UV-Detektoren erbringen können. Das Team wollte außerdem Materialien, die sich leicht im Labor synthetisieren lassen, um die Zugänglichkeit für tiefergehende Forschung zu gewährleisten.

Unter diesen Suchbedingungen kombinierten die Forscher systematisch Kandidatenmaterialien und führten quanteninspirierte Berechnungen auf der Grundlage der Grundlagen durch, um eine gleichbleibende Genauigkeit und Leistung sicherzustellen. Aus den ursprünglich 3.000 Einträgen in der Materialdatenbank eliminierte der Suchalgorithmus nur 25 Kandidaten. Basierend auf früheren Studien wurde festgestellt, dass diese Kandidatenmaterialien in einem breiten Anwendungsspektrum eine hohe Leistung aufweisen.

„Unser Material-Screening-Rahmen konzentriert sich nicht nur auf Anwendungsszenarien und wichtige Leistungsindikatoren, sondern auch auf Nachhaltigkeitskriterien, die Materialien mit Hochrisikoelementen eliminieren. „Mit diesem Rahmen können wir Materialkandidaten identifizieren, die leistungsstark und gleichzeitig auf Materialebene nachhaltig sind“, erklärt Asst. Assoc. DR. Ang.

Die Ergebnisse des Teams zeigen, dass nachhaltigkeitsorientierte Forschung möglich ist und ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Nachhaltigkeit schafft.

Asst. Assoc. DR. Ang betonte die Bedeutung ihrer Arbeit: „Unser auf Nachhaltigkeit ausgerichtetes Materialscreening-Framework ist von entscheidender Bedeutung für die Suche nach den Bausteinen einer umweltfreundlicheren Elektronikumgebung, in der Geräte nicht nur schneller, leichter und billiger sind und eine längere Akkulaufzeit haben, sondern auch.“ „freundlich für die Umwelt und die menschliche Gesundheit.“ kann als Werkzeug dienen.“

Asst geht über seine Shows hinaus. Assoc. DR. Ang ist zuversichtlich, dass das entwickelte Framework auch in anderen Materialklassen eingesetzt werden kann. Angesichts des zunehmenden Bewusstseins für die anthropologische Belastung der Umwelt bietet die Forschung eine spannende Plattform für Wissenschaftler, Ingenieure und Forscher, um Technologien der nächsten Generation und ihre Kompatibilität mit globalen grünen Agenden zu überdenken.Asst. Assoc. DR. Ang ist bestrebt, seine Innovationen beim Materialscannen auf andere 2D-Materialien zu übertragen. Das langfristige Ziel des Teams besteht darin, 2D-Materialien anhand ihrer Umweltauswirkungen zu kategorisieren und zu bewerten, um einen ganzheitlichen Leitfaden bereitzustellen, der als Grundlage für zukünftige Studien dienen kann.

Quelle:

Grüne Technologierevolution bei nachhaltigen 2D-Materialien für die Elektronik der Zukunft (nanowerk.com)