Energiedesigns profitieren von Fortschritten in der Materialwissenschaft - Kohlenstoff
09.02.2024
Kohlenstoff [C] ist ein wichtiges Element. Wir sind kohlenstoffbasierte Lebensformen. In Kombination mit Sauerstoff ist die gasförmige CO2-Konzentration das Barometer, mit dem wir unseren Beitrag zur globalen Erwärmung messen. In fester Form kann reiner Kohlenstoff so weich wie Graphit oder so hart wie Diamant sein. Kohlenstofffasern verstärken unzählige Produkte, von Flugzeugen bis zu Angelruten. Die 14C-Radiokohlenstoffdatierung ist ein wichtiges Werkzeug in der Archäologie. Ein einflussreicheres Element ist nur schwer vorstellbar.
Auch in der Zukunft der Elektronik wird Kohlenstoff eine immer wichtigere Rolle spielen. Dieser kurze Blog befasst sich mit einigen Fortschritten in der Materialwissenschaft, bei denen davon ausgegangen wird, dass Kohlenstoff die Elektronik in den nächsten Jahren revolutionieren wird.
Aufgrund dieser WBG-Vorteile werden SiC- und GaN-Transistoren bereits in großem Umfang in umweltfreundlichen Technologien wie Elektrofahrzeugen, Photovoltaik-Wandlern, IoT-Netzwerken und Öko-Design-Stromversorgungen eingesetzt.
Kohlenstoff bietet die nächste Generation in diesem Prozess - Ultra-Wide Bandgap (UWBG) Transistoren. Anstelle von SiC- oder GaN-Substraten wird reiner Diamant verwendet, der eine noch höhere Wärmeleitfähigkeit (4x besser als SiC), eine höhere Durchbruchsspannung (6x besser als GaN) und einen viel breiteren Bandgap-Wert als SiC und GaN aufweist (Tabelle 1):
Abb. 1: Kristalline Struktur von Graphen (Quelle: Wikipedia)
Graphen ist eine 2-dimensionale Form (Allotrop) von Kohlenstoff, die aus nur ein Atom dicken Nanoschichten gebildet wird, wobei die Atome in einem wabenförmigen, ebenen Gitter angeordnet sind. Es verhält sich wie ein Halbmetall und lässt Wärme und Elektrizität leicht entlang seiner Ebene fließen, aber nicht in Querrichtung. Als Massematerial absorbiert es Licht in allen sichtbaren Wellenlängen stark, ist aber in einzelnen Blättern nahezu transparent. Mikroskopisch gesehen ist es das stärkste Material der Erde, da jedes Atom mit jedem seiner drei Nachbarn doppelt verbunden ist. Diese Steifigkeit führt zu einer außergewöhnlich hohen Elektronenbeweglichkeit, die mit 15 000cm2/Vs gemessen wurde (vergleichen Sie diesen Wert mit den Werten in Tabelle 1), sodass es Strom besser leitet als Silber.
Graphen weist darüber hinaus mehrere ungewöhnliche elektrische Eigenschaften auf: Es wird durch ein externes Magnetfeld stark beeinflusst, sodass empfindliche Hall-Effekt-Sensoren gebaut werden können, die sowohl bei Raumtemperatur als auch bei kryogenen Temperaturen (bis zu weniger als 1°K über dem absoluten Nullpunkt) gut funktionieren, und es kann verwendet werden, um Graphen-basierte FETs (gFETs) herzustellen, die als Biosensoren eingesetzt werden können.
Ein gFET verwendet ein flüssiges Gate, in dem geladene Biomoleküle den Kanalstrom beeinflussen, sodass Messungen auf der Basis von Ionen anstelle von Ladungsinjektionen möglich sind. Dies ermöglicht Echtzeit-Messungen von Proteinen, Biomolekülen und Nukleinsäuren und damit bahnbrechende Technologien wie die CRISPR-Genbearbeitung, die Erforschung von RNA-Medikamenten, den Nachweis von Infektionskrankheiten bei Menschen, Pflanzen und Tieren sowie die Krebsforschung.
Die Forschung zu den einzigartigen elektrischen Eigenschaften von Graphen, die die Entwicklung neuartiger elektronischer Geräte ermöglichen könnten, wird fortgesetzt. Ein Bereich der Entwicklung ist die Spintronik, bei der Informationen im Drehimpuls der Elektronen (Spin-up oder Spin-down) gespeichert werden können. Die regelmäßige und starre Array-Struktur von Graphen könnte ein ideales Trägermaterial für einen spintronischen nichtflüchtigen Speicher (NVM) auf atomarer Ebene bei Raumtemperatur sein, der schneller als herkömmlicher Arbeitsspeicher wäre und dennoch alle Daten beim Ausschalten beibehalten würde.
Darüber hinaus können Kohlenstoff-Nanoröhren so formuliert werden, dass sie sich wie ein Halbleiter oder ein Halbmetall verhalten, je nach den physikalischen Abmessungen und/oder zusätzlicher chemischer Dotierung. Theoretisch könnte ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen 1000-mal mehr Strom leiten als ein ähnlich großer Kupferleiter. Aufgrund seiner zylindrischen Struktur könnte dieser Strom so gelenkt werden, dass er nur entlang der Achse des Röhrchens und nicht seitlich fließt, was viele neue Arten von elektronischen Geräten ermöglichen würde.
Abb. 2: Vergleich einer herkömmlichen Lithiumpulver-Kathode (links) mit einer CNT-Kathode (rechts). Quelle: NAWA Technologies.
Weitere Einsatzmöglichkeiten für Kohlenstoffnanoröhren sind Photovoltaik, Sensoren, Displays, intelligente Textilien und Energiegewinnungsanlagen. Die vielversprechendste Entwicklung sind jedoch neue Arten von Li-Ionen-Batterien, die CNT-Kathoden verwenden (Abbildung 2). Bestehende Li-Ionen-Batterien leiden unter Problemen mit der thermischen Ausdehnung beim schnellen Aufladen oder bei hohen Entladungsraten, wodurch die interne Struktur beschädigt wird.
Die höhere mechanische Festigkeit von Kohlenstoff-Nanoröhren kann diesen thermischen Belastungen ohne Beeinträchtigung standhalten. Diese neuen CNT-Kathodenbatterien können innerhalb von 15 Minuten von 10 % auf 90 % aufgeladen werden und sind leicht, mit einer doppelt so hohen WH/Kg Energiedichte wie herkömmliche Batterien. Darüber hinaus verfügen sie auch nach 800 Lade-/Entladezyklen noch über 90% ihrer ursprünglichen Kapazität. Dies verspricht eine Revolution beim Fahren von Elektrofahrzeugen, bei denen eine Reichweite von 1000 km alltäglich wird.
UWBG
Wide Bandgap (WBG)-Transistoren auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) haben bereits zu rasanten Fortschritten bei der Leistungsschaltleistung geführt. Materialien mit größerer Bandlücke haben eine deutlich höhere intrinsische Wärmeleitfähigkeit und eine höhere dielektrische Durchbruchspannung als herkömmliche MOSFET-Leistungstransistoren auf Siliziumbasis (Si), was bedeutet, dass die Transistorsubstrate bei gleicher Leistung kleiner und dünner gebaut werden können. Die geringere Größe bedeutet auch, dass die Gate- und Anschlusskapazitäten und -widerstände reduziert werden, was zu einem schnelleren und effizienteren Schalten bei geringerer Verlustleistung führt. SiC-Transistoren können höhere Spannungen verarbeiten und schneller und effizienter schalten als Si-MOSFETs, während HEMTs (High Electron Mobility Transistors), die auf GaN-Substraten basieren, sogar noch schneller schalten können, als SiC-MOSFETs, was sie für Hochfrequenzelektronik nützlich macht. Durch das schnelle Schalten wird die erforderliche Größe der anderen induktiven und kapazitiven Komponenten reduziert, sodass sehr kompakte, effiziente Produkte mit hoher Leistungsdichte hergestellt werden können.Aufgrund dieser WBG-Vorteile werden SiC- und GaN-Transistoren bereits in großem Umfang in umweltfreundlichen Technologien wie Elektrofahrzeugen, Photovoltaik-Wandlern, IoT-Netzwerken und Öko-Design-Stromversorgungen eingesetzt.
Kohlenstoff bietet die nächste Generation in diesem Prozess - Ultra-Wide Bandgap (UWBG) Transistoren. Anstelle von SiC- oder GaN-Substraten wird reiner Diamant verwendet, der eine noch höhere Wärmeleitfähigkeit (4x besser als SiC), eine höhere Durchbruchsspannung (6x besser als GaN) und einen viel breiteren Bandgap-Wert als SiC und GaN aufweist (Tabelle 1):
| Eigenschaft | Si | SiC | GaN | Diamant |
|---|---|---|---|---|
| Bandlücke (eV) | 1.1 | 3.0 | 3.5 | 5.5 |
| Wärmeleitfähigkeit (W/cm K) | 1.5 | 4.9 | 1.3 | 22 |
| Durchschlagsspannung (kV/mm) | 0.3 | 2.5 | 3.3 | 20 |
| Elektronenbeweglichkeit (cm2/V s) | 1500 | 400 | 2000 | 1060 |
Table 1: Vergleich der grundlegenden Eigenschaften von Silizium-, WBG- und UWBG-Transistoren
Die Leistung verschiedener Transistortechnologien lässt sich als Baliga Figure of Merit (BFOM) beziffern - je höher der BFOM-Wert, desto besser. Die Skala ist nicht linear, da kritische Leistungsindikatoren wie die Durchbruchspannung und die Leitfähigkeit beide vom Wert des kritischen elektrischen Feldes abhängen, der wiederum als sechste Potenz der Halbleiter-Bandlückenelektronenspannung ansteigt. Auf der Grundlage des BFOM sind WBG-Transistoren also etwa 730-mal besser als Si-MOSFETS und ein UWBG-Transistor auf Kohlenstoffbasis ist etwa 15 625-mal besser - ein gewaltiger Leistungssprung, der für die Umstellung unseres weltweiten Energieverbrauchs von umweltschädlichen fossilen Brennstoffen auf effiziente grüne elektrische Energie unerlässlich sein wird.
Graphen-Halbleiter
Abb. 1: Kristalline Struktur von Graphen (Quelle: Wikipedia)
Graphen weist darüber hinaus mehrere ungewöhnliche elektrische Eigenschaften auf: Es wird durch ein externes Magnetfeld stark beeinflusst, sodass empfindliche Hall-Effekt-Sensoren gebaut werden können, die sowohl bei Raumtemperatur als auch bei kryogenen Temperaturen (bis zu weniger als 1°K über dem absoluten Nullpunkt) gut funktionieren, und es kann verwendet werden, um Graphen-basierte FETs (gFETs) herzustellen, die als Biosensoren eingesetzt werden können.
Ein gFET verwendet ein flüssiges Gate, in dem geladene Biomoleküle den Kanalstrom beeinflussen, sodass Messungen auf der Basis von Ionen anstelle von Ladungsinjektionen möglich sind. Dies ermöglicht Echtzeit-Messungen von Proteinen, Biomolekülen und Nukleinsäuren und damit bahnbrechende Technologien wie die CRISPR-Genbearbeitung, die Erforschung von RNA-Medikamenten, den Nachweis von Infektionskrankheiten bei Menschen, Pflanzen und Tieren sowie die Krebsforschung.
Die Forschung zu den einzigartigen elektrischen Eigenschaften von Graphen, die die Entwicklung neuartiger elektronischer Geräte ermöglichen könnten, wird fortgesetzt. Ein Bereich der Entwicklung ist die Spintronik, bei der Informationen im Drehimpuls der Elektronen (Spin-up oder Spin-down) gespeichert werden können. Die regelmäßige und starre Array-Struktur von Graphen könnte ein ideales Trägermaterial für einen spintronischen nichtflüchtigen Speicher (NVM) auf atomarer Ebene bei Raumtemperatur sein, der schneller als herkömmlicher Arbeitsspeicher wäre und dennoch alle Daten beim Ausschalten beibehalten würde.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen
Wenn ein Graphenblatt zu einem Zylinder gerollt würde, entstünde eine Nanostruktur mit außergewöhnlichen Eigenschaften in Bezug auf Zugfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Thermische Grenzflächenmaterialien aus vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) weisen eine hochgradig gerichtete Wärmeleitfähigkeit auf, so dass die von leistungselektronischen Geräten erzeugte Wärme effizient an einen geeigneten Kühlkörper weitergeleitet werden kann, ohne die angrenzenden Komponenten übermäßig zu erwärmen. In Tests wurden Wärmeleitfähigkeiten von fast 15W/°K erreicht - etwa 3x höher als bei Wärmeleitpaste.Darüber hinaus können Kohlenstoff-Nanoröhren so formuliert werden, dass sie sich wie ein Halbleiter oder ein Halbmetall verhalten, je nach den physikalischen Abmessungen und/oder zusätzlicher chemischer Dotierung. Theoretisch könnte ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen 1000-mal mehr Strom leiten als ein ähnlich großer Kupferleiter. Aufgrund seiner zylindrischen Struktur könnte dieser Strom so gelenkt werden, dass er nur entlang der Achse des Röhrchens und nicht seitlich fließt, was viele neue Arten von elektronischen Geräten ermöglichen würde.
Abb. 2: Vergleich einer herkömmlichen Lithiumpulver-Kathode (links) mit einer CNT-Kathode (rechts). Quelle: NAWA Technologies.
Die höhere mechanische Festigkeit von Kohlenstoff-Nanoröhren kann diesen thermischen Belastungen ohne Beeinträchtigung standhalten. Diese neuen CNT-Kathodenbatterien können innerhalb von 15 Minuten von 10 % auf 90 % aufgeladen werden und sind leicht, mit einer doppelt so hohen WH/Kg Energiedichte wie herkömmliche Batterien. Darüber hinaus verfügen sie auch nach 800 Lade-/Entladezyklen noch über 90% ihrer ursprünglichen Kapazität. Dies verspricht eine Revolution beim Fahren von Elektrofahrzeugen, bei denen eine Reichweite von 1000 km alltäglich wird.
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