تولید سلول‌های خورشیدی از کربن
محدودیت منابع، افزایش جمعیت جهان و روند رو به رشد تولید گازهای گلخانه‌ای اهمیت استفاده از انرژی پاک را روز به‌روز بیشتر و بیشتر کرده است. یکی از این انرژی‌های پاک که در بسیاری از مناطق جهان در دسترس است، انرژی خورشیدی می‌باشد. اگر بتوان سلول‌های خورشیدی ارزان‌تری تولید کرد، سریع‌تر می‌توان استفاده از این انرژی را در صنعت و بخش خانگی و در سطحی گسترده آغاز کرد.
به گزارش فیوچریتی، در حال حاضر برای تولید سلول‌های خورشیدی از سیلیسیوم و روتنیوم استفاده می‌شود که هر یک معایبی دارند. سیلیسیوم گران‌قیمت است و با اینکه می‌شود از روتنیوم سلول‌های خورشیدی ارزان‌تری تولید کرد، اما این ماده به اندازه پلاتین روی زمین کمیاب است.
ماده دیگری که می‌شود از آن برای تولید سلول‌های خورشیدی استفاده کرد، کربن است. ماده‌ای ارزان که در طبیعت به وفور یافت می‌شود و نسبت به دو ماده پیشین، خطر مسمومیت کمتری دارد. البته این کربن به شکل گرافین - فرم تک‌لایه کربن است- که ضخامتی به اندازه یک اتم دارد، نه گرافیتی که برای نوشتن از آن استفاده می‌کنیم. تنها اشکال اینجاست که ما به سلول‌های خورشیدی با سطحی وسیع نیاز داریم و گرافین در این حالت می‌تواند با تشکیل پیوندهای تازه به گرافیت تبدیل شود و هم‌زمان خاصیت جذب انرژی خورشیدی را از دست بدهد.
توضیح عکس مقابل: بخش سیاه، گرافینی است که توسط ساختار سه‌بعدی هیدروکربنی- بخش آبی- احاطه شده و دانه‌های خاکستری هم اتم‌های کربنی هستند که میان دانه‌های هیدروکربن گرفتار شده‌اند و مانع از اتصال دو گروه اصلی گرافین به یکدیگر می‌شوند.
شیمی‌دانان! روش شکستن گرافیت به صفحات تک‌لایه و پوشاندن هر صفحه با پوشش پلیمر را پیشنهاد کرده‌اند. روش موفقیت‌آمیزی است اما اندازه صفحات در آن متفاوت و گاهی بزرگ‌تر از آن است که بتوانند قابلیت جذب نور را حفظ کنند.
محققان دانشگاه ایندیانا کمی ایده واحد‌های تفکیک‌کننده را تغییر داده‌اند و برای جدا نگه‌داشتن قطعات گرافین از حلقه‌های 6 ضلعی کربن استفاده کرده‌اند که به آنها سه گروه خطی مرکب از اتم‌های کربن و هیدروژن متصل شده است که می‌توانند تا 90 درجه دور این ساختار بچرخند. این ساختار سه‌بعدی نیمه‌سخت و نیمه‌انعطاف‌پذیر می‌تواند گروه‌هایی از 168 اتم کربن تک‌لایه را در عین حال که از یکدیگر جدا نگه می‌دارد به هم متصل کند.
این ساختار قابلیت حل‌شدن در حلال‌های آلی را دارد و علاوه بر این می‌تواند طیف وسیعی از نور مرئی تا نزدیک زیرقرمز را به خوبی جذب کند. قدم بعدی اتصال دی‌اکسید تیتانیوم به انتهای این صفحات برای بالا بردن بازده سلول‌های خورشیدی کربنی و در نهایت تبدیل انرژی جذب‌شده به انرژی الکتریکی است.
سیلیکون از حاکمیت بر دنیای الکترونیک کنار می‌رود؟
بعد از رقابت نفس‌گیر دهه‌های 80 و 90 میلادی، سرعت کلاک کامپیوترهای رومیزی طی یک دهه گذشته در مرز 3 گیگاهرتز متوقف ماند. این رکود در سرعت پردازش، دانشمندان را به این فکر انداخت که آیا زمان عبور از نیمه‌رسانا‌ها گذشته است یا نه؛ و برای این بحث چه جایی بهتر از ژورنال ساینس؟
به گزارش پاپ‌ساینس، مسئله اصلی این است که با کوچک‌تر و باریک‌تر شدن ترانزیستورها، باید ولتاژ ورودی به آنها را نیز کمتر و کمتر کرد. این افت ولتاژ می‌تواند به بروز مشکلاتی در زمینه گرما و توان مصرفی منجر شود و همچنین، سرعت‌های سویچینگ و کلاک پایین‌تری به همراه داشته باشد. تراشه‌ها عموما مشکل سرعت را با بهبود ابعاد و توان جبران می‌کنند، ولی دانشمندان راه‌کارهای جدیدی برای رفع این مشکل پیشنهاد کرده‌اند.
برخی عقیده دارند که سرعت کلاک به حد نهایی خود رسیده و بیشتر نوآوری‌های جالب توجه آینده را باید در قطعات الکترونیکی کوچک‌تر و انعطاف‌پذیری جستجو کرد که در موبایل‌های هوشمند، ایمپلنت‌های پزشکی یا حتی لباس‌های شبیه به فیلم‌های علمی تخیلی فضایی کاربرد خواهد داشت. نوارهای سیلیکونی امروزی هم می‌توانند تا حدی این کارها را انجام دهند، البته تا وقتی که مردم بتوانند با دستگاه‌های کم‌توان‌تر خود در مقایسه با یک ریزتراشه چندلایه سیلیکونی زندگی کنند. تراشه‌های بسیار ساده و خیلی ریز هم می‌توانند این کار را بدون نیاز به تغییرات پیچیده مهندسی انجام دهند.
پژوهشگران آی.بی.ام به ایده یافتن یک سویچ ترانزیستوری جدید پرداخته‌اند که بتواند تغییرات کوچک ولتاژ را تقویت کند. رویکرد آینده‌داری که می‌تواند به این هدف برسد، "interband tunnel FET" (باند میانی اف.تی.ای تونلی) است که می‌تواند اجازه دهد تغییرات کوچک ولتاژ، به تغییر حالت روشن و خاموش منتهی شوند. ولی این امر تنها در نانولوله‌های کربنی امکان‌پذیر است و نه سیلیکون.
رویکرد دیگر می‌تواند افزودن ابزاری باشد که حتی به ولتاژ‌های کوچک تاثیر همه یا هیچ بدهد؛ چیزی که می‌تواند سویچینگ را درکمتر از یک پیکوثانیه (یک هزارمیلیاردیم ثانیه) امکان‌پذیر کند، ولی در عالم واقع، این امر بین 70 تا 90 پیکوثانیه به طول می‌انجامد.
دو ایده آخر به جای اینکه به نیمه‌رسانا‌های مبتنی بر سیلیکون اتکا کنند، به دنبال اکسید فلزات واسطه‌ای گذرایی می‌گردند که اکسیژن را با موادی مانند تیتانیوم و عنصر بسیار کمیاب لانتانیوم ترکیب می‌کند. ولی فلزات واسطه و ترکیبات اکسید زیادی وجود دارند؛ از این‌رو پژوهشگران نیاز به راه بهتری برای پیش‌بینی تاثیر هر یک از این ترکیبات دارند تا شاید بتوانند ترکیب بهینه را از میان آنها انتخاب کنند. علاوه بر این‌ها گرافین پایه کربنی هم به عنوان جانشینی برای سیلیکون مطرح شده است.
شرکت‌های سیلیکون همیشه راهی برای خروج از بحران‌های مرتبط با فناوری پیدا کرده‌اند و حتی دارپا (بازوی تحقیقات و توسعه پنتاگون) هم صنعت نیمه‌رسانا را نمونه‌ای برای دیگران می‌داند.
انقلاب الکترونیکی با ترانزیستورهای بدون اتصال
پژوهشگران
ایرلندی در انستیتوی ملی تیندال، اولین ترانزیستور بدون اتصال جهان را
تولید کردند. این پیشرفت که به کمک فناوری نانو بدست آمده است، می‌تواند
نحوه ساخت نیمه‌هادی‌ها را کاملا دگرگون سازد.
چالش اصلی در دهه‌های گذشته این بود که بتوان با استفاده از روش‌های تولید تراشه‌های سیلیکونی، هر روز تعداد بیشتری از ترانزیستورها را در یک فضای محدود جا داد و در عین حال به قانون مور هم وفادار ماند. ولی از آنجا که فناوری‌های آینده بر ابزارهای کوچک‌تر و سبک‌تر و قابل حمل‌تر و در عین حال با قدرت محاسباتی بیشتر متکی است، انگیزه‌ها برای باریک‌تر کردن طراحی چیپ‌ها در عین افزایش کارایی آنها، هر روز بیشتر و قوی‌تر می‌شود.
به گزارش پاپ‌ساینس، متاسفانه اتصالات ترانزیستوری فعلی (دو قطعه از سیلیکون با قطبیت مخالف که امکان قطع و وصل جریان را در ترانزیستور می‌دهند) کارایی چندانی ندارند. جریان می‌تواند از این اتصالات نشت کند، و در نتیجه آن مصرف توان بیشتر می‌شود و همین امر منتج به پایین آمدن بازدهی کلی در دستگاه‌هایی می‌شود که از ترانزیستورهای زیادی استفاده می‌کنند. اتصالات همچنین یک فاکتور مهم در بالا بردن هزینه‌ها در فرایند ساخت تراشه می‌شوند؛ آنها در نقش دروازه‌هایی برای جریان، مکانیزم‌های کلیدی در ترانزیستورها هستند؛ ولی مشکل اینجا است که ساخت این اتصالات با کیفیت بالا بسیار گران قیمت خواهد بود.
ترانزیستور بدون اتصال، نیاز به اتصال را با تزریق جریان از طریق یک سیم باریک سیلیکونی که قطری به اندازه تنها چند اتم دارد برطرف می‌کند. یک مولفه که به کنایه «حلقه ازدواج» نامیده می‌شود؛ شارش جریان را با «پیچاندن» الکتریکی سیم برای توقف جریان الکترون‌ها تنظیم می‌کند، که تا حد زیادی شبیه به همان فرایند پیچاندن یک شیر آب برای جلوگیری از جریان مایعات از داخل آن است. معماری ترانزیستور بدون اتصال به اندازه کافی ساده است تا بتوان آن را با هزینه پایینی حتی در ابعاد خیلی کوچک تولید کرد؛ این بدان معنی است که این فناوری می‌تواند در آینده ترانزیستورهای خیلی ارزان‌تری تولید کرد و از آنجاکه این جریان از طریق یک سیم سیلیکونی جریان دارد، جریان نشتی خیلی کم خواهد بود، که به این ترتیب این ساختار جدید خیلی کارامد‌تر خواهد بود.
البته، پیچاندن یک نانو سیم سیلیکونی برای کنترل جریان در یک سیستم آزمایشگاهی و تولید صنعتی و در مقیاس بزرگ این ترانزیستورهای بدون اتصال ، دو چیز کاملا متفاوت است، حال باید منتظر ماند و دید که آیا این نوآوری می‌تواند در صنعت تولید چیپ به طور گسترده استفاده شود یا خیر. ولی اگر این فناوری بتواند در عمل در مقیاس گسترده پذیرفته شود، این پیشرفت می‌تواند منجر به یک تغییر اساسی در الگوهای معماری چیپ شود.