研究人員已將煤轉化為下一代電子設備使用的高純度材料，這標誌著煤在經濟和技術應用領域的重大轉變。煤炭是美國的豐富資源，但不幸的是，煤炭作為化石燃料的使用加劇了氣候變遷。隨著美國向其他能源生產方式過渡，考慮和重新評估煤炭的經濟作用將變得非常重要。

以肯塔基州東南部開採的藍色寶石煙煤加工而成的高品質二維碳製造的含有憶阻器的晶片，圖中展示了兩個樣本。資料來源：伊利諾大學香檳分校Grainger 工程學院

伊利諾大學香檳分校、國家能源技術實驗室、橡樹嶺國家實驗室和台灣半導體製造公司（TSMC）共同進行的一項研究表明，煤炭在下一代電子設備中可以發揮重要作用。

伊利諾大學材料科學與工程系教授、該合作計畫的共同負責人Qing Cao 說：「人們通常認為煤是又笨又髒的東西，但我們開發的加工技術可以將煤轉化為只有幾個原子厚的高純度材料。它們獨特的原子結構和特性非常適合製造一些性能優於最先進技術的最小電子裝置。”

NETL開發的一種製程首先將煤炭轉化為被稱為”碳點”的奈米級碳盤，IU研究小組證明這種碳盤可以連接起來形成原子級薄膜，應用於二維晶體管和憶阻器，這些技術對於建造更先進的電子裝置至關重要。這些成果發表在《通訊工程》期刊。

完美的二維電子裝置

在不斷尋求更小、更快和更有效率電子裝置的過程中，最後一步將是使用只有一或兩個原子厚度的材料製造裝置。設備的尺寸不可能小於這個極限，而小尺寸往往使其運轉速度更快，能耗更低。雖然超薄半導體已被廣泛研究，但要建造晶體管和憶阻器等工作電子裝置，還需要原子級薄的絕緣體–阻斷電流的材料。

具有無序原子結構的原子級碳薄層可以作為建造二維設備的絕佳絕緣體。合作研究人員已經證明，這種碳層可以由煤炭中提取的碳點形成。為了證明他們的能力，Cao 領導的伊利諾大學小組開發了兩種二維設備。

Cao說：”這確實令人興奮，因為這是煤炭這種我們通常認為技術含量不高的東西第一次直接與微電子學的尖端技術聯繫在一起。”

電晶體電介質

研究團隊在基於半金屬石墨烯或半導體二硫化鉬的二維電晶體中使用煤炭衍生的碳層作為柵極電介質，使設備的運行速度提高了兩倍多，同時能耗更低。與其他原子級薄材料一樣，煤炭衍生的碳層不存在”懸空鍵”或與化學鍵無關的電子。傳統的三維絕緣體表面存在大量的這些位點，它們透過有效地發揮”陷阱”的作用而改變了絕緣體的電氣特性，減緩了移動電荷的傳輸速度，從而降低了晶體管的開關速度。

然而，與其他原子級薄材料不同的是，新型煤碳層是無定形的，這意味著它們不具有規則的晶體結構。因此，不同結晶區域之間沒有邊界，而這些邊界是導致”漏電”的傳導路徑，即不希望有的電流流經絕緣體，並在設備運行期間造成大量額外功耗。

電晶體燈絲

小組考慮的另一個應用是憶阻器–一種既能儲存資料又能對資料進行操作的電子元件，可大幅促進人工智慧技術的實作。這些裝置透過調節一對電極之間的電化學反應形成的導電絲來儲存和表示數據，中間夾著絕緣體。

研究人員發現，採用超薄煤炭衍生碳層作為絕緣體，可以快速形成這種低能耗的導電絲，以較低的功率實現較高的設備運行速度。此外，這些煤衍生碳層中的原子尺寸環還能限制絲狀物，進而提高設備運作的可重複性，進而增強資料儲存的保真度和可靠性。

從研究到生產

新開發的裝置為在二維裝置中使用煤衍生碳層提供了原理證明。剩下的工作就是證明這種裝置可以大規模製造。

Cao說：『半導體產業，包括我們在台灣半導體公司的合作者，都對二維裝置的能力非常感興趣，我們正在努力實現這項承諾。未來幾年，II大學將繼續與NETL 合作，開發一種可在工業環境中實施的煤基碳絕緣體製造流程。”

編譯來源：ScitechDaily