כנס בינלאומי מקוון בהשתתפות בכירי התעשייה והאקדמיה עסק בקידום טכנולוגיות פורצות דרך המשלבות את החומר גרפן (Graphene), העומד בבסיס אחת התגליות המשמעותיות עד כה במאה ה-21

 

הכנס הבינלאומי בהובלת מאגד הגרפן הישראלי של רשות החדשנות (The Israeli Graphene Consortium) נערך באופן מקוון ועסק בחומר העומד בבסיס אחת התגליות המשמעותיות ביותר עד כה במאה ה-21 ובעל השפעה רבה בפיזור חום במעגלים חשמליים ובהשגת ביצועים גבוהים גם בתחום תדר גבוה.

מאגד הגרפן הישראלי מקדם את השימוש בגרפן כחומר ייחודי וחדשני בתעשיית האלקטרוניקה, תוך מתן דגש על יישום גרפן במוצרים ותהליכי ייצור בתעשייה הישראלית.  בעשור האחרון גרפן מסתמן כאחד מהחומרים אשר צפויים להשפיע על ההתפתחות הטכנולוגית העולמית. גרפן הינה בעל פוטנציאל טכנולוגי משמעותי הודות לתכונותיו הייחודיות – יכולת הולכת חום והעברת מידע בקצב גבוה. יכולות אלו המתאימות ליישומים בתחום האלקטרוניקה.

הידע הייחודי שפותח באקדמיה הישראלית בתחום, מאפשר לממש את הפוטנציאל של גרפן לטובת פיתוח טכנולוגיות ומוצרים עתידיים – כאשר היישום של גרפן יאפשר להתגבר על המחסומים הקיימים בתעשייה, מעמידים את ישראל בחזית הטכנולוגיה ומהווים פריצת דרך עולמית ביכולת הניצול של תכונותיו הייחודיות של הגרפן בתעשיית האלקטרוניקה.

מניעת התחממות של רכיבים אלקטרוניים

פעילות המאגד מתמקדת בשני תחומים עיקריים: התחום הראשון הוא פיזור חום במעגלים חשמליים – אלמנט זה מונע התחממות יתר ומאפשר להקטין את מידת ההתחממות של נקודות קריטיות, כגון מעבדים ושבבים עתירי אנרגיה. התחום השני הוא העברת מידע בקצבים גבוהים – תחום זה צפוי לאפשר העברת מידע בקצב מהירים בהרבה מקיים ובכך להאיץ משמעותית את יכולות התקשורת במחשבים וחוות שרתים. פעילות הפיתוח צפויה לתרום למגוון רחב של שימושים טכנולוגיים המתבססים על מעגלים מודפסים, דוגמת: שימוש במציאות מדומה ורבודה בבית, מתן יכולת לשחק במשחקי מחשב בקצב מהיר וברזולוציה גבוהה, שימושי רובוטיקה ושימושי בינה מלאכותית מבוססת רשת.

המדען הראשי מטעם משרד הכלכלה ויו"ר דירקטוריון רשות החדשנות, ד"ר עמי אפלבאום, אמר: "מאגד הגרפן הוא אחד הדרכים של הרשות לקידום טכנולוגיה גנרית. אנו משלבים תעשייה, אקדמיה ומוסדות מחקר שונים, ובמקרים רבים אנו מחברים בין חברות מתחרות שבנסיבות אחרות לא היו משתפות פעולה. מה שאנו מנסים לעשות הוא קידום מחקר גדול יותר ומשמעותי יותר עבור כולם, ולהצליח יותר מאשר כל חברה הייתה עושה בנפרד שיתוף הפעולה הזה לא מובן מאליו. הגרפן הוא אחד החומרים המבטיחים וברגע שניקח אותו מהמעבדה לתעשייה, הוא ישפיע משמעותית על התעשיות האלקטרוניות. אני שמח שברקע הזמנים הקשים בעולם ובישראל עם הקורונה, המאגד מציג התקדמות ומקיים את האירוע החשוב הזה".

פעילות המאגד החלה בינואר 2020

מתאם הפעילות של מאגד הגרפן הישראלי, ענר שהם, אמר: "המאגד החל לאחר POC ב-2019 ואת פעילות המאגד התחלנו בינואר 2020. מטרתו העיקרית הוא הכנסת גרפן לשיפור מעגלים אלקטרוניים מודפסים. ישנם מחקרים רבים בעולם בתחום הגרפן ומדובר בנושא חם, ישנם תחומי מחקר רבים בתחום ופוטנציאל גבוה בתחומים רבים של הנדסה ומחקר ופיתוח. אנו מאמינים כי לגרפן ב-PCB תהיה השפעה נרחבת בתעשייה, ומאחר ובישראל יש ידע מחקרי רב בנושא, חשבנו שיהיה נכון ליישם ידע זה בתעשייה האלקטרוניקה הישראלית. אנו מתמקדים ב-3 תחומי פעילות: ניהול חום באמצעות שילוב שכבות גרפן דקות ועבות ב-PCB ושימוש בגרפן לציפוי מעגלים מודפסים, תמיכה במהירות גבוהה ותהליך תעשייתי".

גרפן חד שכבתי בקצב גידול גבוה

פרופ' רודני רואוף מהמכון הלאומי למדע וטכנולוגיה באולסן,  קוריאה הדרומית (UNIST), וחוקר בעל שם עולמי בתחום הגרפן שהיה הראשון לגדל את החומר בשיטת ה-CVD, פירט על המחקר שהוא מוביל בייצור גרפן ועל ייצור סגסוגות של נחושת וניקל עבור גידול גרפן. הוא ציין כי בתחום רחב של תנאים, ניתן להשיג גרפן חד שכבתי ללא תוספת שכבות וכי קצב הגדילה יכול להיות מהיר מאד. הוא חידד את הקשר שבין תכונות השטח לגידול גרפן. הוא תיאר כיצד גרפן דו שכבתי שגדל ב-CVD הפך לחומר יהלום חד שכבתי.

יו"ר מאגד הגרפן הישראלי וראש קבוצת פיתוח חומרה (Advanced Development Group) ב-NVIDIA, ד"ר אלעד מנטוביץ': "אנחנו חיים כיום בעידן בו צריכת המידע שצומחת בקצב אקספוננציאלי בכל מקום. ככל שאנו מנתחים יותר מידע, ניתן להפיק ממנו יותר תובנות שיכולות לשמש למגוון נרחב של שימושים ומוצרים. כאשר אנו בוחנים את האתגרים טכנולוגיים הקיימים בטכנולוגיות העברת המידע, ניתן לזהות שאחד האתגרים המשמעותיים הוא הפסדים במעגלים מודפסים בתדר גבוה. אחד הפתרונות המובילים עבור מתן מענה לאתגר זה הינו שימוש בגרפן. גרפן מהווה מעין 'גביע קדוש' שיוצר מרחב חדש של פתרונות המאפשרים לשמור על רמת ביצועים גבוהה תוך כדי הגדלת רוחב הפס של הכרטיסים האלקטרוניים – בהתאם לכך אחד הצירים הראשיים במאגד מתמקד בהעברת מידע בקצב גבוה. במסגרת פעילות המאגד אנו מכוונים לספק פתרון כולל אשר מאפשר התייחסות לכלל שרשרת האספקה הנחוצים. מתכנון, לייצור ובדיקת איכות המוצר המוגמר. מתן התייחסות לכלל שרשרת הייצור, מקצה לקצה, יאפשר אינטגרציה פשוטה של הנושא בעתיד לתוך הסביבה הטכנולוגית-עסקית והגעה מהירה לאינטגרציה מלאה של החומר מתקדם זה בתעשייה. אנו שמחים על תמיכתה המתמשכת של רשות החדשנות במאגד הגרפן אשר מאפשרת לקדם בצורה איכותית ומהירה את הטכנולוגיות החדשניות המפותחות במסגרת המאגד".

פתרונות הולכת חום

ה-CTO של חברת PCB Technologies, יעד אליה, דיבר על פתרונות הולכת חום עם גרפן ושילובו במעגלים מודפסים: "שני יתרונות משמעותיים ניתן להשיג בשימוש בגרפן בעיצוב מעגלים מודפסים. גרפן רב שכבתי הוא בעל מנגנון פיזור חום שיכול להוריד טמפרטורת רכיבים שמגיעה לרמה קריטית, וגרפן בשימוש מהיר ביישומים דיגיטליים יכול להפחית אובדן". עוד אמר אליה: "חברת PCB Technologies המתמחה בתכנון וייצור מעגלים מודפסים מתוחכמים, מרובי טכנולוגיות וזיוודם ברכיבים, לוקחת חלק פעיל במאגד גרפן של רשות החדשנות. הטמעת גרפן במעגלים מודפסים, תיתן מענה ייחודי למעגלים מהירים, HSD, ולמעגלי הספק לצורך פינוי ופיזור חום, בשל תכונותיו הייחודיות". אליה הציג סקירה רחבה לצורך הבנת האפליקציות, התהליכים וחומרי הגלם המיוחדים, בכדי לתת מענה לאותן מגבלות: פינוי חום ותדר גבוה. הסקירה כללה פתרונות ייחודיים לתעשיית התעופה והמכ"'מים   "PCB Technologies רואה חשיבות בהטמעת הגרפן במעגלי HSD, בכדי לשפר ביצועים, ולהפחית מגברים במעגלים ומערכות מורכבות", אמר אליה.

עוד במושב הראשון של הכנס, פרופ' אריאל ישמח מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל אביב דיבר על המעבר של עבודה עם גרפן מהמעבדה לתעשייה.

במושב השני שנערך, פרופ' אנדריאה פרארי, מומחה עולמי ממרכז הגרפן של אוניברסיטת קיימברידג', דיבר על גרפן וחומרים שכבתיים בתחומי פוטוניקה ואופטו-אלקטרוניקה. הוא דיבר על צרכי תקשורת עתידיים, אפשרויות אופטיות, מודולטורים, חיישנים ועוד. פרופ' פרארי ציין כי עד 2025 טכנולוגיית 5G תהווה 45% מכלל הדאטה הניידת ו-74% מהמנויים הסלולאריים בצפון אמריקה. תנועה צפויה לגדול ב-31% בכל שנה בין 2019 ל-2025. הוא ציין כי לאחר ה—5G ה-6G ישלב בין 5G, בינה מלאכותית, ניתוח דאטה ו-IOT. הוא דיבר על התגברות מרכזי דאטה וצווארי בקבוק של אנטנות 5G על האתגרים ועל התפקיד של גרפן שיוכל להציג מגוון שיפורי ביצוע.

ד"ר משה בן-שלום מביה"ס לפיזיקה באוניברסיטת תל אביב דיבר במושב על מערכת פרו-אלקטרית המבוססת על החומר השכבתי בורון-ניטריד; ראש אגף PCB ב-NVIDIA, בועז אטיאס, דיבר על אתגרי עיצוב בורדים עם גרפן במעגלים מודפסים ופרופ' ארנסטו יוסלביץ' ממכון ויצמן למדע דיבר על אלקטרו-מכניקה של ננו-צינוריות פחמן.

ייצור המוני של גרפן למעגלים מודפסים

פרופ' דורון נוה מהפקולטה להנדסה באוניברסיטת בר-אילן נעל את המושב ודיבר על ייצור המוני של גרפן עבור יישומי מעגלים מודפסים: "מאגד הגרפן הישראלי הציג את הכניסה של התעשייה הישראלית לטכנולוגיה המתקדמת המבוססת על גרפן, בתחום המעגלים המודפסים לתדר גבוהה". ההרצאה של פרופ׳ נוה סקרה את התקדמות המאגד בתחומים של פיתוח יכולת ייצור תעשייתית מקומית של גרפן באיכות גבוהה ואת השילוב של גרפן במעגלים מודפסים: "הגרפן מיועד להגביר את המוליכות החשמלית בתדר גבוהה של מעגלים וכן, את המוליכות התרמית – כדי לייעל את פינוי החום ואת פעולת המעגלים המודפסים. לשם כך, המאגד מפתח טכנולוגיות המבוססות על ציפוי בעובי גרפן חד-אטומי על נחושת וגם שכבות עבות של גרפן".

במושב השלישי, המנהלת המדעית של חברת Graphenea – מהחברות המובילות בתחום הגרפן בעולם ופועלת מספרד ומבוסטון, ד"ר אמאיה זורוטוזה, שדיברה על ייצור גרפן והשימוש בו בגלאים. בנוגע למעבר של ייצור גרפן מהמעבדה לתעשייה, אמרה: "תהליך ייצור בקנה מידה מדרגי הוא קריטי לשילוב המסחרי של גרפן. על הזרז שמזרז את ייצורו להיות בעל תכונות של מסיסות בפחמן, טהור, שטוח, חד-קריסטלי, ובעל אוריינטציה מועדפת". היא סקרה את שיטות ייצור הגרפן בהן נעשה שימוש בחברה, שיטות הניקוי בהן נעשה שימוש ועוד. בנוסף סקרה את השימוש בגרפן בטכנולוגיית חיישנים והאופן בו הוא מבוצע בחברה בין השאר ב-MEMS, פוטו-סנסורים, ביו-סנסורים ועוד. היא ציינה כי לגרפן יש פוטנציאל אדיר בתחומי הטלקומוניקציה, בריאות, מצלמות לילה ועוד.

פרופ' קוסטב בנרג'י מהמחלקה להנדסת חשמל באוניברסיטת קליפורניה, מומחה עולמי בהתקני ננו-אלקטרוניקה דיבר על הדור הבא של אינטגרציית חומרים שכבתיים באלקטרוניקה: "מאד חשוב, בכל משפחה חדשה של חומרים, למצוא שימושים. זה נכון גם לחומרים דו-ממדיים". פרופ' בנרג'י דיבר על התפתחות המהפכה התעשייתית הרביעית המתמקדת ב-IOT, וציין כי יצירת אנרגיה יעילה בעתיד תתבסס על חומרים דו-ממדיים. הוא סקר את מקומו של הגרפן במשפחת החומרים בזו כפי שעשה במחקרו מ-2016 וציין כי מדובר בחומר שמעורר התרגשות רבה. הוא ציין כי חומרים מוליכים למחצה דו-ממדיים מציעים מראש ערוצים דקים, עם מסה אפקטיבית, פער אנרגטי אסור יחסית גדול ועוד. הוא דימה חומרים תלת ממדיים לתפוחי אדמה וחומרים דו-ממדיים לבצל שמבחינת מבנה הם יותר שכבתיים, ותיאר את יתרונותיהם מבחינת מבנה, אלקטרוסטטיקה ווריאציות.

פרופ' ארן רגב מהמחלקה להנדסה כימית באוניברסיטת בן-גוריון בנגב דיבר על פתירת בעיות של נקודות חמות במעגלים ע"י שילוב ציפויים מבוססי גרפן; פרופ' אלעד קורן מהפקולטה להנדסת חומרים בטכניון דיבר על ננו-מניפולציה של מגעי גרפן דו-שכבתיים; פרופ' עילם ילון מהפקולטה להנדסת חשמל בטכניון דיבר על היבטים תרמיים של ננו-חומרים שכבתיים ופרופ' אלכסנדר באלנדין מהפקולטה להנדסת חשמל וחומרים באוניברסיטת קליפורניה ומומחה עולמי בהולכת חום בננו-חומרים דיבר על תכונות הולכת חום ייחודיות בגרפן לתרמיקה.

סמנכ"ל תשתית טכנולוגית ברשות החדשנות, אביב זאבי: "מאגד הגרפן נתמך על ידי רשות החדשנות כחלק מאסטרטגיית הרשות לתמיכה במו"פ בסיכון גבוה של טכנולוגיות עתידיות פורצות דרך. הפיתוח המשותף של האקדמיה הישראלית והתעשייה תקדמנה את תעשיית השבבים, המעגלים המודפסים והרכיבים החכמים הישראלית, לעבר העשור הבא, עם מוצרים טכנולוגיים מתקדמים שיוכלו להתחרות באיכותם בשוק העולמי".

הכנס בהובלת מאגד הגרפן הישראלי של רשות החדשנות התקיים בשיתוף PCB Technologies, NVIDIA, אלביט מערכות, אלישרא, סימטל, אוניברסיטת בר-אילן, הטכניון, אוניברסיטת בן-גוריון בנגב ואוניברסיטת תל אביב. המאגד הוקם ב-2019 בתמיכת רשות החדשנות וכחלק מתכנית "מגנ"ט" בהובלתה. המאגד פועל לקדם טכנולוגיות חדשניות ופורצות דרך המשלבות את החומר גרפן, שעל גילויו וגילוי התכונות המשויכות לו זכו החוקרים אנדריי גיים וקונסטנסטין נובוסלוב בפרס נובל לפיזיקה ב-2010. המאגד מבצע מחקר בחומרים ובתהליכים תעשייתיים חדשניים לטובת ייצור, העברה ושימוש בגרפן, בייצור תעשייתי בר קיימא. במאגד הגרפן הישראלי שותפות מובילות מהתעשייה והאקדמיה בישראל, הפועלות ביחד על מנת לפתח ולבחון טכנולוגיות מבוססות גרפן.

הפוסט "גרפן הוא הגביע הקדוש שיאפשר המשך החדשנות בענף השבבים" הופיע לראשונה ב-Chiportal.

[תרגום מאת ד"ר משה נחמני]

תמונת מיקרוסקופ מנהור סורק של ננו-רצועת גרפן מתכתית בפס-צר. הכתמים הלבנים מתייחסים לאורביטלות המאוכלסות באלקטרון יחיד שאורגנו באופן מוקפד לשם ייצור מצבים מוליכים ארוכי טווח. הרוחב של רצועה זו הוא 1.6 ננומטרים בלבד. [באדיבות: Daniel Rizzo מאוניברסיטת ברקלי]

צוות כימאים ופיזיקאים מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי הצליח לפתח את הכלי המתקדם ביותר בתחום הטרנזיסטורים – תיל מתכתי העשוי כול כולו מפחמן. "פעילות עם אותו החומר, כלומר חומרים מבוססי פחמן, הוא המאפשר לפתח את הטכנולוגיה הזו כעת", מסביר פליקס פישר, פרופסור לכימיה מאוניברסיטת ברקלי, תוך שהוא מוסיף ומסביר כי הייצור של כל רכיבי המעגל החשמלי מאותו חומר הופך את תהליך הייצור לפשוט וקל יותר.

תילים מתכתיים – בדומה לחוטים המתכתיים המשמשים לחיבור טרנזיסטורים בשבב מחשב – מעבירים זרם חשמלי מהתקן אחד להתקן שני וכן מחברים את הרכיבים המוליכים למחצה בתוך הטרנזיסטורים, אותם אבני בניין של מחשבים.

קבוצת המחקר מאוניברסיטת ברקלי חוקרת מזה שנים אחדות כיצד לייצר מוליכים למחצה ומבודדים מננו-רצועות גרפן, שהן פסים צרים וחד-ממדיים העשויים מגרפן חד-אטומי, מבנה המורכב כול כולו מאטומי פחמן בלבד המאורגנים בדפוס של משושים מחוברים, בדומה לגדר של לול תרנגולים.

המתכת החדשנית, המבוססת על פחמן בלבד, היא גם ננו-רצועת גרפן, אולם היא תוכננה כך שתוכל לשמש בעיקר עבור הזרמת אלקטרונים בין ננו-רצועות מוליכות למחצה בטרנזיסטורים העשויים מפחמן בלבד. ננו-רצועות המתכת נבנו על ידי צירופם יחדיו של אבני בניין קטנים יותר וזהים – בגישה של 'עיצוב מטה-מעלה', מציין אחד מהחוקרים. כל אחד מאבני הבניין תורם אלקטרון יחיד המסוגל לנוע באופן חופשי לאורך הננו-רצועה.

הגם שחומרים מבוססי פחמן אחרים – כגון יריעות דו-ממדיות נרחבות מגרפן וננו-צינורות פחמן – יכולים להיות מתכתיים, יש להם את החסרונות שלהם. עיצוב יריעה דו-ממדית לרצועות ננומטריות, לדוגמה, הופכת אותה באופן ספונטני לחומר מוליך למחצה, או אפילו, במקרים מסוימים, לחומר מבודד. ננו-צינורות פחמן, המהווים מוליכים מצוינים, לא ניתנים לייצור באותן רמות דיוק והדירות בכמויות גדולות. "ננו-רצועות מאפשרות לנו גישה כימית לטווח נרחב של מבנים המיוצרים בגישת מטה-מעלה, דבר שאינו אפשרי עדיין עם ננו-צינורות", מסביר החוקר. "עובדה זו אפשרה לנו למעשה לחבר אלקטרונים יחדיו לשם הייצור של ננו-רצועה מתכתית, דבר שלא נעשה בעבר. זהו אחד מהאתגרים הגדולים ביותר בתחום הטכנולוגיה של ננו-רצועת גרפן, והעובדה שאנו כה נרגשים באשר לממצאים שלנו".

"אנו סבורים כי התילים המתכתיים אכן מהווים פריצת דרך; זוהי הפעם הראשונה אי-פעם שאנו מסוגלים ליצור מוליך מתכתי צר במיוחד המתפקד בתור מוליך מעולה, וכל זאת מתוך חומרים המבוססים על פחמן בלבד, מבלי הצורך באילוח חיצוני", מסביר החוקר הראשי.

ממצאי המחקר פורסמו בכתב העת המדעי היוקרתי Science.

להודעה של אוניברסיטת קליפורניה בברקלי

הפוסט מעגלים חשמליים מפחמן מתכתי לשם פיתוח טרנזיסטורים מהירים ויעילים יותר הופיע לראשונה ב-Chiportal.

קבוצת חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה הדרומית הכינה שכבות גמישות ושקופות המבוססות על אטומי פחמן שטמונה בהן יכולת גבוהה לשמש כסוג חדשני של תאים סולאריים.

"תאים פוטווולטאים אורגניים (Organic photovoltaic cells, OPV) מוצגים כאמצעים לחיסכון באנרגיה בזכות פשטות הפקתם, קלות משקלם והתאמתם הגבוהה לחומרים גמישים," כתב Chongwu Zhou, פרופסור להנדסת אלקטרוניקה מאוניברסיטת קליפורניה הדרומית, במאמר שפורסם בכתב-העת המדעי ACS Nano. השיטה המתוארת במאמר מהווה התקדמות של ממש לעבר תכנון חדשני של תאים מסוג זה שהינם בעלי יתרונות משמעותיים, בייחוד בהיבט של גמישות פיסית.

רכיב חיוני של כל התקן פוטו-אלקטרוני מסוג OPV הינו אלקטרודה מוליכה שקופה שבאמצעותה אור מסוגל להגיב עם חומרים פעילים לקבלת חשמל. המחקר החדש מצביע על כך שבגרפן, צורה מוליכה ושקופה ביותר של פחמן, המורכבת משכבות פחמן בעובי של אטום יחיד, טמונה יכולת ניכרת לשמש בתפקיד זה. למרות העובדה כי קיומו של גרפן ידוע מזה עשורים, מחקרו הנמרץ החל רק בשנת 2004, וזאת עקב הקושי לייצרו באיכות ובכמות גדולה. 

חוקרי מעבדתו של Zhou דיווחו לפני שלוש שנים על הפקה של שכבות גרפן בקנה-מידה גדול באמצעות שיטה המכונה "שיקוע אדים כימי" (chemical vapor deposition, CVD). באמצעות שיטה זו צוות המדענים הצליח להכין שכבות גרפן דקיקות במיוחד ע"י שיקוע ראשוני של אטומי פחמן בצורת שכבות גרפן על-גבי משטח ניקל מתוך גז מתאן.

בשלב הבא, הם מיקמו שכבת מגן תרמו-פלסטית ע"ג שכבת הגרפן, ואז המיסו את שכבת הניקל התחתונה בעזרת נוזל חומצתי. בשלב האחרון הם חיברו את שכבת הגרפן המוגנת בפלסטיק ליריעת פולימר גמישה, ואז שילבו אותה בתוך תא OPV. צוות המחקר הצליח לייצר שכבות גרפן/פולימר המשתרעות בגודלן עד לכדי שטח של 150 סמ"ר, ואלו ניתנות לשימוש לקבלת מערכים צפופים של תאי OPV גמישים.

תאי OPV ממירים את קרינת השמש לחשמל, אך יעילותם פחותה מזו של תאי צורן (סיליקון). האנרגיה הנוצרת ע"י אור-שמש ביום בהיר וחם הינה כאלף ואטים לכל מטר רבוע. "מכל אלף ואטים של קרינת שמש הפוגעת בשטח של מטר רבוע של תא סולארי מבוסס צורן, מתקבלים 14 ואטים של חשמל," מסביר אחד מהחוקרים. "תאים סולאריים אורגניים פחות יעילים; יעילות ההמרה שלהם עבור אותם אלף ואטים של קרינת השמש בתאים מבוססי-גרפן תביא לקבלת 1.3 ואטים בלבד."

אולם, תאי OPV מבוססי-גרפן מפצים, ואף יותר מכך, על חסרונם ביעילות באמצעות עלות נמוכה יותר וגמישות פיסית גבוהה יותר. החוקרים סבורים כי בסופו של דבר ניתן יהיה לייצר משטחים נרחבים המצופים בתאים סולאריים מסוג זה, בדומה לייצור של גלילי עיתונים ע"י מכבשי הדפסה.

"ניתן יהיה לתלות את המשטחים הללו כוילונות בבתים או אפילו לייצר מהם סיבים שישמשו כביגוד מייצר חשמל. אני יכול לדמיין לעצמי אנשים המספקים חשמל לטלפונים או להתקני המוסיקה/וידאו הניידים שלהם בעודם רצים ביום שמשי," הוא מוסיף.

החוקרים טוענים כי לתאים החדשים שלהם אמור להיות לפחות יתרון משמעותי אחד אל מול העיצוב המתחרה של תאי OPV המבוססים על תחמוצת אינדיום-בדיל (Indium-Tin-Oxide, ITO). בניסויים שנערכו במעבדתם, טוענים החוקרים, תאי ITO כשלו לאחר כיפוף בזווית קטנה, בעוד שהתאים שלהם נותרו פעילים גם לאחר כיפופים חוזרים ונשנים בזויות מתיחה גדולות יותר. ממצא זה יעניק לתאים סולאריים מבוססי-גרפן יתרון מכריע במספר יישומים, בכללם אריגים "מודפסים", כפי שהציעו החוקרים.

המאמר מסכם וטוען שהגישה החדשנית מהווה התקדמות משמעותית לעבר הייצור של אלקטרודות מוליכות שקופות בתאים סולאריים. "שיקוע אדים כימי של גרפן עונה על רוב התנאים החשובים הנדרשים להחלפת תחמוצת אינדיום-בדיל ברכיבים פוטווולטאים אורגניים, בכללם: תפוצה גבוהה, עלות נמוכה, מוליכות, יציבות, התאמה לרכיבים אורגניים וגמישות פיסית, אשר אמורים להוביל לפיתוח יישומים חשובים בהתקנים אופטו-אלקטרוניים אורגניים עתידיים."      

הידיעה מהאוניברסיטה

הפוסט רכיבים פוטווולטאים מבוססי גרפן יהיו זולים וגמישים מתאים מבוססי סיליקון הופיע לראשונה ב-Chiportal.

גרפן הוא החומר הנבחר של הפיסיקאים עבור חומרים הנמצאים בחזית המדע, וחוקרים מאוניברסיטת רייס (Rice) נמצאים בקדמת חזית זו.

קבוצת החוקרים, בראשותו של בוריס יעקובסון (Boris Yakobson), פרופסור להנדסה מכאנית ומדעי-החומרים והכימיה, גילתה את היכולת ל"תלוש" אטומי מימן מיריעה דו-מימדית של גרפן, ממצא שבוודאי יקדם שטחי פעילות חדשניים לשימוש בגרפן כזה כבנקודות קוונטיות.

הממצא פותח צוהר לעולם חדש של אפשרויות עבור סוגי רכיבי ננו-אלקטרוניקה בקנה-מידה הזעיר ביותר, רכיבים התלויים בתכונות המוליכות למחצה הנשלטות מאוד של נקודות קוונטיות, בייחוד בתחום של אופטיקה מתקדמת.

ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי ACS Nano כאשר אוניברסיטת רייס הוכתרה לאחרונה כמוסד המוביל במחקר של מדעי-החומרים ע"י כתב-עת בריטי.

גרפן, שלשני צידיו מוספים אטומי מימן, הופך ממוליך לחומר מבודד. למרות שעוביו של החומר הינו אטום יחיד, הגרפן מספק אפשרויות רבות לשינוי תכונותיו המוליכות למחצה.

נקודות קוונטיות (Quantum dots, הערך בוויקיפדיה) הינן פרודות גבישיות המורכבות מאטומים אחדים ועד מספר רב שלהם, אשר מגיבות עם אור ושדות מגנטיים בדרכים ייחודיות. גודל הנקודה קובע את פער הפסים – או במילים פשוטות – את כמות האנרגיה הנדרשת לשם סגירת מעגל חשמלי – וניתנת לכוונון ברמות מדויקות ביותר. תדירויות האור (והאנרגיה) הנפלטות מהנקודות הפעילות הופכות אותן לשימושיות במיוחד עבור חיישנים כימיים, תאים סולאריים, דימות רפואי ומעגלי-חשמל ננומטריים.

החוקרים חישבו ומצאו כי הרחקת "איים" של אטומי מימן משני צידיו של הגרפן תוביל לקבלת מתחמים בעלי תכונות של נקודות קוונטיות, ממצא שיוכל להוביל גם לפיתוחם של מערכי נקודות עבור יישומים רבים ומגוונים.

"הגענו לרעיונות אלו מתוך מחקר נפרד לחלוטין של אגירת אנרגיה בצורה של ספיחת אטומי מימן בגרפן," אומר החוקר. "החוקרים בקבוצה הבינו כי מעבר מופעים (פאזות) זה – מגרפן מוליך (graphene) לגרפן מבודד (graphane), המלווה במעבר מ"מתכת" למבודד, מספק אוסף חדשני של פיתוחים עבור ננו-הנדסה."

המחקר חשף מספר מאפיינים מענייניים. החוקרים מצאו כי כאשר מרחיקים "גושי" מימן תת-סריגים, המתחם שנותר קיים תמיד כמבנה משושה (הקסאגונאלי), עם קו ממשקי ברור בין שני סוגי הגרפן. הממצא הזה חשוב, הם אומרים, מכיוון שהדבר מוביל למסקנה כי כל נקודה מתוחמת ביותר; חישובים מראים כי קיימת "דליפה" מועטה ביותר של מטען לתוך החומר המארח (graphane).

"אתה מקבל ספקטרום דמוי-אטום בתוככי החומר, ואז ניתן לשנות את פער הפסים באמצעות שינוי גודלה של הנקודה," מסביר החוקר. "כך, שבסופו של דבר ניתן לכוונן את התכונות האופטיות של החומר."

מלבד היישומים האופטיים, הנקודות עשויות להיות שימושיות עבור חישה של פרודה יחידה ועשויות להוביל לפיתוחם של טרנזיסטורים ולייזרים של מוליכים למחצה זעירים מאוד, מציין החוקר.

עדיין קיימים אתגרים כגון להבין כיצד להכין מערכים של נקודות קוונטיות ביריעת גרפן, אולם החוקרים לא סבורים כי לא ניתן להתגבר על מהמורות אלו.

הידיעה מהאוניברסיטה

הפוסט יכולת חדשנית לחומר גרפן: נקודות קוונטיות הופיע לראשונה ב-Chiportal.

תרכובת אורגנית שהתגלתה כיעילה בפיתוח רכיבי אלקטרוניקה מבוססי צורן תוכל לשמש גם עבור ייצור רכיבים ע"ג יריעות של פחמן בעובי של פרודה יחידה. חוקרים ממכון מקס פלנק למתכות בשטוטגארט, גרמניה, פרסמו את ממצאי מחקרם זה בכתב העת המדעי Physical Review B.

שכבות פחמן דקות במיוחד, הידועות בשם גרפן, מהוות בסיס לפיתוח התקנים אלקטרוניים רבים יעילים וזעירים במיוחד. אולם, בכדי ליצור רכיבים שימושיים, התכונות האלקטרוניות של חומרים כדוגמת צורן או גרפן חייבות להיות מותאמות כנדרש באמצעות תהליך אילוח (זיהום מכוון בחומר, doping). בצורה אופיינית, התקנים מבוססי-צורן מאולחים ע"י החלפת שיעור קטן מאטומי הצורן באטומים או בפרודות מאלחות שונות. בגרפן, לעומת זאת, הצורונים המאלחים מתמקמים על פני שטח היריעה הפחמנית במקום להחליף חלק מאטומי הפחמן.

חומרים כגון זהב, ביסמוט ודו-תחמוצת החנקן שימשו לאילוח גרפן ברמות משתנות של הצלחה. כעת, חוקרים ממכון מקס פלנק גילו כי התרכובת F4-TCNQ (tetrafluoro-tetracyanoquinodimethane), שהוכחה כיעילה עבור ייצור דיודות פולטות אור (LEDs) בצורן, כנראה מתאימה גם עבור גרפן. התרכובת מתארגנת לכדי שכבות יציבות בגרפן העמידות בפני רמות גבוהות של חום וקרינה, ומסוגלת לשלוט בתכונות האלקטרוניות של הגרפן – ממצא המרמז כי היא תוכל להוות חומר מאלח טוב.

ממצאי המחקר מפורסמים בכתב-העת המדעי APS Physics.

הפוסט תהליכים המשמשים באלקטרוניקה מבוססת צורן עשויים להיות ישימים באלקטרוניקה מבוססת גרפן הופיע לראשונה ב-Chiportal.

חוקרי הטכניון וחוקרים מאוניברסיטת "רייס" ביוסטון, טקסס, הצליחו לפתח שיטה חדשנית להפקת כמויות גדולות יחסית של שכבות פחמן בעובי אטום אחד, הנקראות "גרפן". הפיתוח עשוי להוביל לחומרים מרוכבים ולמסכי מגע זולים יותר. כך מגלה כתב העת המדעי היוקרתי Nature Nanotechnology.

"כאשר שכבות "גרפן" מחוברות זו על גב זו, הן יוצרות גרפיט, שהיא ה'עופרת' בעפרונות כתיבה", מסביר פרופסור ישעיהו טלמון, ראש מכון ראסל ברי למחקר בננו-טכנולוגיה בטכניון וחבר סגל בפקולטה להנדסה כימית."הדבר ידוע כבר מאות בשנים, אולם רק בשנת 2004 הצליחו חוקרים לזהות שכבות גרפן בודדות. מאז עוסקים מדענים רבים בחקר גרפן, משום היותו חומר חזק במיוחד וגם בעל מוליכת גבוהה".

פרופסור מתאו פסקואלי מאוניברסיטת "רייס", השותף למחקר, אומר כי קיימות שיטות לייצור כמויות גדולות של גרפן עם זיהומים שונים וקיימות שיטות ליצור כמויות קטנות של גרפן טהור (ללא זיהומים). "השיטה שלנו מספקת חומר טהור במיוחד, ומשתמשת בשיטות בהן השתמשו בעבר כדי לייצר כמויות חומרים גדולות בתעשיה הכימית", הוא מוסיף. "צוות המחקר שלנו מצא שניתן למוסס גרפן בחומצה כלורוסולפונית, שהיא ממיס תעשייתי ידוע. הופתענו ששכבות גרפן בודדות נפרדו מעצמן מגרפיט בתוך החומצה. הצלחנו להמיס עד שני מיליגרם של גרפן בליטר חומצה, ריכוזים גדולים פי עשרה ממה שניתן לקבל בשיטות המקובלות".

קבוצת המחקר ניצלה שיטות חדשניות של מיקרוסקופיית אלקטרונים בטמפרטורה נמוכה, המאפשרת דימות ישיר של שכבת הגרפן בחומצה הכלורוסולפונית. "השתמשנו בשיטות מחקר שפיתחנו קודם לכן, לדימות ננו-צינוריות של פחמן בתוך חומצה", מציין פרופסור יכין כהן, דיקן הפקולטה להנדסה כימית בטכניון וחבר בצוות המחקר. "זהו הישג ניכר בהתחשב באופי החומצה החזקה והקשיים בהכנת הדגמים למיקרוסקופ האלקטרונים והדימות עצמו".

תוך שימוש בתמיסות המרוכזות בחומצה, הצליח הצוות להכין פילמים דקים ושקופים, מוליכי חשמל. פילמים כאלה יוכלו לשמש להכנת מסכי מגע זולים יותר מאלה המשמשים כיום בטלפונים סלולריים, למשל. כמו כן הצליחו החוקרים להכין גבישים נוזליים של גרפן בחומצה.

"אם ניתן להכין גבישים נוזליים, יש אפשרות לטוות מהם סיבים", אומר חוקר נוסף בצוות, פרופסור ג'יימס טור מאוניברסיטת "רייס". "בגבישים נוזליים השכבות הבודדות מסתדרות כך שניתן להזריק את החומר דרך חרירים מתאימים לטוויית סיבים".

אם השיטה תוכח כיעילה להכנת כמויות גדולות של סיבים, הדבר יוריד את מחירם של חומרים מרוכבים בעלי חוזק גדול המשמש בתעשיית התעופה והחלל, תעשיית הרכב ובבניה.

הפוסט חוקרי הטכניון ואוני' רייס שותפים בשיטה להפקת כמויות גדולות של גרפן הופיע לראשונה ב-Chiportal.

יבמ הדגימה טרנזיסטור בתדר 100 גיגהרץ שפותח במעבדות המחקר של יבמ. הטרנזיסטור מבוסס על ווייפרי גרפן בקוטר 2 אינטש, ופועל בטמפרטורת החדר.

טרנזיסטורי הRF מבוססי הגרפן אמורים להביס במהירותם את הטרניזסטורים המהירים ביותר בשיטת גליום ארסנייד, ולסלול את הדרך לאלקטרוניקה מהירה ומסחרית מבוססת פחמן.
"כבר נטענו טענות יוצאוד דופן באשר ליכולתו של הגרפן לשימושים יום יומיים בטרנזיסטורים, אך זו ההדגמה הראשונה של טרנזיסטור RF מבוסס גרפן שנבנה בתנאים הטכנולוגיים הרלוונטיים ובקנה המידה הנכון" אומר עמית יבמ פנדון אבוריס, האחראי על מאמצי פיתוח החומרים מבוססי פחמן במעבדות יבמ ביורקטאון הייטס, ניו יורק.

טרנזיסטורי הRF מגרפן נוצרו עבור סוכנות הפרויקטים המתקדמים של משרד ההגנה במסגרת תוכנית אלקטרוניקת פחמן ליישומי RF (CERA). קצב השידור מהיר פי 4 מההדגמות הקודמות. הטרניזסטרוים יצרו על הווייפר תוך שימוש בתהליך גידול גרפן התואם לתהליך שבו משתמשים בטרנזיסטורי סיליקון. CERA מתכננת לשלב את טרניזטורי הגרפן במקום טרנזיסטורי גליום ארסנייד המשמשים כיום במערכות התקשורת הצבאיות.

וויפר הגרפן נוצר באמצעות נטילת ווייפרים של פחמת סיליקון (SiC) הנמכר באורח מסחרי, ולאחר מכן שריפת שכבת הסיליקון העליונה בתהליך המכונה פירוק תרמי. התוצאה היתה שכבה בודדת של גרפן על פני השטח שאחרת היו רק מבודדים. לאחר מכן הוטבעו התבניות של טרניסטורי הגרפן באמצעות  ארכיטקטורת metal top-gate ולאחר מכן בודדה שכבת הגרפן במקומות הנדרשים לכך ע"י פולימר.

לטרנזיסטור הגרפן ביצועים חזקים פי 2 מאשר לסילקון בעל אותו אורך שערך (100 גיגהרץ בגרפן לעומת 40 גיגהרץ בסיליקון).

רוחב השער היה 240 ננומטר, גדול פי 10 מהשער הקטן ביותר האפשרי בטכנולוגיות הליטוגרפיה הקיימות (פחות מ-35 ננומטר). באמצעות ביצוע אופטימיזציה של התהליך כדי להגדיל את התעבורה ולהקטין אורך השער, מתכוונת יבמ להגדיל את מהירות טרנזיסטורי הגרפן עד ל-1 טרהרץ, המטרה של תוכנית CERA.

הפוסט יבמ הדגימה טרנזיסטור גרפן של 100 גיגהרץ הופיע לראשונה ב-Chiportal.

בראשית, היו אלו הפרודות בצורת כדורגל שכונו כדורי-באקי (פולרנים). לאחר-מכן היו אלו ננו-צינורות בצורת גלילים. כעת, החומר החדש המרתק ביותר בפיסיקה ובננוטכנולוגיה הינו גרפן – פרודה שטוחה מאוד המורכבת מאטומי פחמן המאורגנים בתבנית של טבעות משושות.

לא רק שזהו החומר הזעיר ביותר האפשרי, אלא שהוא גם חזק יותר פי עשרה מפלדה ומוליך חשמל טוב יותר מכל חומר ידוע אחר בטמפרטורת החדר. תכונות אלו של הגרפן, ומאפיינים מרתקים נוספים שלו, הם שמשכו את תשומת ליבם של פיסיקאים – שהחלו לבחון אותם, וננוטכנולוגים – שהחלו לנצל אותם עבור ההכנה של התקנים מכאניים וחשמליים חדשניים.

"ישנן שתי תכונות ההופכות את הגרפן ליוצא-דופן," אומר Kirill Bolotin, פרופסור לפיסיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת Vanderbilt (נאשוויל, טנסי, ארה"ב). "ראשית, המבנה המולקולארי שלו כה עמיד בפני פגמים מבניים עד כי החוקרים נאלצו להחדירם במכוון לשם בדיקת השפעותיהם של פגמים אלו. שנית, האלקטרונים הנושאים עליהם את המטען החשמלי נעים מהר יותר ובאופן כללי מתנהגים כאילו המסה שלהם הרבה יותר קטנה מאשר זו הנמדדת במתכות רגילות או על-מוליכים."

במאמר שפורסם החודש בכתב-העת היוקרתי Nature, המדען וצוות המחקר שלו מדווחים כי הצליחו לייצר גרפן נקי דיו כך שהוא מפגין תופעה אלקטרונית מוזרה המכונה "תוצא הול קוונטי חלקי" (Hall effect, הערך בוויקיפדיה), שבה האלקטרונים פועלים יחדיו ליצירת חלקיקים חדשים בעלי מטענים חשמליים שהינם שבר מהמטען של אלקטרון בודד.

למרות שגרפן הינו החומר הגבישי הדו-מימדי האמיתי הראשון שהתגלה, מדענים הרהרו רבות במהלך השנים כיצד יתנהגו גזים ומוצקים דו-מימדיים אחרים. הם גם הצליחו ליצור אומדן קרוב עבור גז אלקטרונים דו-מימדי באמצעות החיבור יחדיו של שני מוליכים-למחצה השונים במעט זה מזה. האלקטרונים מתוחמים בממשק שבין שני המוליכים למחצה והתנועה שלהם מוגבלת לתנועה דו-מימדית בלבד. כאשר מערכת כזו מקוררת עד כדי פחות ממעלה אחת מעל האפס המוחלט ומופעל עליה שדה מגנטי חזק – אזי מתרחשת התופעה.

מאז שהמדענים הבינו כיצד להכין גרפן (לפני חמש שנים), הם ניסו לגרום לו להפגין את התופעה הזו, ניסיונות שהסתיימו בהצלחה זעומה בלבד. לדבריו של החוקר, קבוצה מאוניברסיטת קולומביה שבארה"ב הבינה כי הבעיה הינה הפרעה הנובעת מהמשטח עליו מוקם הגרפן. בעקבות כך, החוקרים השתמשו בשיטות ליתוגרפיה של מוליכים-למחצה בכדי למקם יריעות גרפן נקיות ביותר בין נקודות מיקרוסקופיות מעל משטח השבב המוליך למחצה. כאשר הם קיררו את התצורה הזו בתחום של עד שש מעלות מעל האפס המוחלט והפעילו שדה מגנטי, הגרפן חולל את אפקט הול, בדיוק כפי שצפתה התיאוריה.

הדרך הטובה ביותר להבין את התופעה הזו, המנוגדת להיגיון הרגיל שלנו, הינה לחשוב על האלקטרונים שבגרפן כאילו הם יוצרים גל טעון דקיק ביותר. כאשר מופעל שדה מגנטי, גל זה מייצר מערבולות בזרם האלקטרונים. מאחר ולאלקטרונים יש מטען שלילי, למערבולות אלו יש מטען חיובי. "מערבולות" אלו מתקבלות עם מטען חלקי של שליש, חצי ושני שלישים מהמטען של אלקטרון בודד. נושאי מטען חיובי אלו נמשכים אל אלקטרוני ההולכה, ויוצרים בסופו של דבר כעין-חלקיקים (קווזי-חלקיקים) בעלי מטען חלקי.

הבנת התכונות האלקטרוניות של גרפן חשובה מכיוון, שלא כמו חומרים אחרים המשמשים בתעשיית האלקטרוניקה, הגרפן נותר יציב ומוליך גם ברמה המולקולארית. כתוצאה מכך, כאשר טכנולוגיית הסיליקון הנוכחית תגיע לגבול המזעור הבסיסי שלה בשנים הקרובות, אפשר שהגרפן יתפוס את מקומה.

בינתיים, פיסיקאים תיאורטיים מעוניינים בגרפן מסיבה שונה לחלוטין: הוא מספק אפשרויות חדשות לבחינת התיאוריות שלהם.

במהלך תנועתם של אלקטרונים בתוככי מתכות רגילות, הם מגיבים עם שדות חשמליים שנוצרים מסריג אטומי המתכת, שדות המושכים והדוחפים אותם באופן מורכב. כתוצאה מכך, האלקטרונים מתנהגים כאילו הם בעלי מסה השונה מהמסה הרגילה והמקורית שלהם. לפיכך, הפיסיקאים קוראים לזה "מסה אפקטיבית" ומתייחסים אליהם כאל קווזי-חלקיקים. גם כאשר הם נעים ברחבי הגרפן הם מתנהגים כקווזי-חלקיקים, אולם בצורה כזאת שהם חסרי מסה. מסתבר כי קוואזי-החלקיקים של הגרפן, שלא כמו אלו המצויים בחומרים אחרים, מצייתים לחוקי האלקטרודינמיקה הקוונטית – אותן משוואות היחסות שהפיסיקאים משתמשים בהן לתיאור התנהגותם של חלקיקים בחורים שחורים ובמאיצי-חלקיקים גבוהי-אנרגיה. כתוצאה מכך, חומר חדשני זה יוכל לאפשר לפיסיקאים לערוך ניסיונות ממשיים לבחינת נכונות המודלים התיאורטיים שלהם לגביי הסביבות הקיצוניות ביותר הקיימות ביקום כולו.

הפוסט אומתו מאפייניו האלקטרוניים של החומר גרפן הופיע לראשונה ב-Chiportal.