Ожидается, что углеродные наноматериалы изменят многомиллиардную полупроводниковую промышленность.

Углеродные наноматериалы могут заменить кремний в компьютерных чипах и изменить многие другие отрасли, но почему они так и остаются на грани коммерциализации?

За последние 20 лет были сделаны большие прорывы в области наноуглеродных материалов, состоящих из отдельных веществ размером от 1 до 100 нанометров, что открыло широкий спектр возможностей — от нанокомпьютеров до интеллектуальных медицинских имплантатов.

Благодаря своей уникальной прочности и проводимости углеродные наноматериалы могут заменить кремний в компьютерных чипах.

Однако коммерциализация новых материалов очень сложна. Перенос результатов лабораторных исследований в крупномасштабное производство — долгий и рискованный процесс, аналогичный выводу нового лекарства на рынок. Технические препятствия и высокая стоимость лабораторного времени и производства привели к тому, что многие революционные материалы вышли из строя на раннем этапе.

Что касается углеродных наноматериалов, проблемы проводимости и проблемы производства означают, что компьютерные чипы на основе углеродных наноматериалов могут оказаться дальше, чем первоначально ожидалось.

Стартапы, научно-исследовательские отделы и университетские лаборатории в настоящее время разрабатывают и запускают уникальные наноуглеродные материалы.

Графен и углеродные нанотрубки

Благодаря своему небольшому размеру наноматериалы обладают свойствами, не имеющими себе равных у обычных объемных материалов, включая высокое соотношение прочности к весу (то есть высокую прочность, но легкий вес) и отличную электрическую связь.

Наноматериалы на основе углерода, особенно графен и углеродные нанотрубки, продемонстрировали большой потенциал в качестве альтернативы различным промышленным материалам.

Графен представляет собой слой углерода толщиной в один атом, имеющий сотовую структуру.

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой листы графена, имеющие трубчатую структуру.

Углеродные нанотрубки были впервые обнаружены в начале 1990-х годов, но графен был выделен учеными из Манчестерского университета только в 2004 году.

Графен и углеродные нанотрубки на протяжении многих лет развивались разными путями, несмотря на схожие свойства и области применения.

Графен — самый прочный материал, когда-либо измеренный. Он имеет превосходное соотношение прочности к весу, проводит электричество, близкое к сверхпроводнику, и почти прозрачен. Отрасли промышленности, от аэрокосмической до полупроводников и спортивного оборудования, исследуют, как графен можно использовать для улучшения производительности.

Графеновый аэрогель, один из самых легких материалов в мире

Под влиянием полупроводниковой промышленности исследования, связанные с УНТ, стали более концентрированными. IBM выделила значительные ресурсы на разработку углеродных нанотрубок для использования в компьютерных чипах.

Графен VC «Снижение лихорадки»

С 2007 по 2015 год финансирование графеновых стартапов неуклонно росло. Однако падение числа сделок и финансирования в 2016 году полностью не восстановилось.

Этот спад отражает типичную потерю привлекательности разработки передовых материалов, когда технология оказывается между прорывом и коммерциализацией.

Стартапы в этой области работают над разработкой конкретных продуктов из графена, таких как батареи, медицинские устройства и электроника, или находят способы эффективного производства материала для общего использования.

Например, Vorbeck Materials разрабатывает чернила и покрытия на основе графена для рынка печатной электроники. Графеновые продукты компании могут использоваться в носимой электронике, RFID (радиочастотная идентификация), датчиках и других приложениях.

Что касается производства, компания XG Sciences, получившая финансирование от Dow Ventures и Samsung Ventures, производит и продает графеновые материалы. Запатентованный процесс компании создает небольшие стопки графеновых листов, называемые «нанолистами», которые используются в качестве добавок для различных применений.

Финансирование, связанное с CNT, также снижается

Стартапы также разрабатывают технологию углеродных нанотрубок, хотя лишь немногие компании вышли на эту сферу.

Стартапы, занимающиеся углеродными нанотрубками, также столкнулись с сокращением финансирования после 2015 года, возможно, по тем же причинам, что и финансирование графена. После многих лет инвестиций в исследования и разработки углеродные нанотрубки столкнулись с техническими препятствиями.

Nantero — один из наиболее хорошо финансируемых и амбициозных стартапов CNT. Компания разработала NRAM (энергонезависимую оперативную память) с использованием CNT, которая, как она надеется, заменит DRAM (динамическую оперативную память) и флэш-память в качестве основных полупроводниковых запоминающих устройств.

Нантеро считает, что технологию CNT можно использовать для изготовления чипов с более высокой плотностью, чем у традиционных полупроводниковых материалов, что значительно увеличивает скорость и объем памяти.

Nantero передала лицензию на свою технологию компании Fujitsu, сделав шаг к коммерциализации. Однако еще предстоит преодолеть технические и рыночные препятствия, прежде чем углеродные нанотрубки смогут широко использоваться в высокопроизводительных вычислениях.

Предприятия предпочитают проводить собственные НИОКР, а не инвестировать.

Все крупные полупроводниковые компании работают над графеном для чипов и батарей. Согласно патентной поисковой системе CBinsights, Samsung является крупнейшим производителем полупроводников с более чем 200 патентами, связанными с графеном. В конце 2017 года компания объявила о разработке материалов для графеновых батарей, которые могут заряжаться в пять раз быстрее, чем обычные батареи.

Углеродные нанотрубки получили значительные инвестиции в исследования и разработки от полупроводниковой промышленности и крупных технологических компаний. IBM владеет более 200 патентами, связанными с углеродными нанотрубками, и вложила значительные средства в разработку этого материала.

В аэрокосмической области графен показал превосходные свойства в качестве добавки к композитным материалам, таким как углеродные волокна. Исследование, проведенное в 2010 году Политехническим институтом Ренсселера, показало, что графен превосходит углеродные нанотрубки, делая композиты прочнее, прочнее и менее склонными к дефектам.

Airbus также инвестировал в исследования, связанные с графеном, и имеет 6 патентов, связанных с графеном.

Технические барьеры сдерживают заявки

Графен и углеродные нанотрубки в настоящее время трудно перенести из лаборатории в крупномасштабное производство и использовать их уникальные свойства материала.

Например, графен проводит электричество лучше, чем кремний или медь. В сочетании с его прочностью, весом и прозрачностью электропроводность графена позволяет заменить компьютерные чипы на основе кремния и улучшить повседневную электронику.

Но есть одна загвоздка: графен является «бесщелевым» полупроводником, а это означает, что поток тока через материал невозможно остановить. Производителям компьютерных чипов пришлось ввести «запрещенную зону» в кремниевые чипы, что позволило пользователям отключать устройство, останавливая поток электронов. Сложность этого процесса является ключевым препятствием на пути коммерциализации.

В течение некоторого времени методы, используемые для введения запрещенной зоны в графен, были неэффективными или изменили материал, и связанные с этим превосходные свойства исчезли.

В апреле 2018 года ученые под руководством Каталонского института нанонауки и нанотехнологий представили метод выращивания «графеновых» материалов с запрещенной зоной. Этот важный шаг в разработке чипов на основе графена занял почти 15 лет после первого прорыва в области графена в 2004 году, продемонстрировав сложность и время, необходимые для разработки новых материалов.

Углеродные нанотрубки имеют запрещенную зону, что позволяет легко включать их в компьютерные чипы, но массовое производство является решающим вопросом.

Манипулировать миллиардами крошечных структур в углеродных нанотрубках чрезвычайно сложно, поскольку необходимо контролировать ориентацию нанотрубок, чтобы воспользоваться их уникальными свойствами. Прежде чем получить широкое распространение, необходимо усовершенствовать методы производства, чтобы обеспечить однородные, бездефектные углеродные нанотрубки.

Рыночные барьеры: кремний по-прежнему играет важную роль в сфере вычислений

Рыночные барьеры на пути внедрения углеродных наноматериалов могут оказаться более сложными, чем технические проблемы. Новые материалы сталкиваются со скептицизмом и стагнацией, поскольку они пытаются вписаться в существующие цепочки поставок.

Аманда Барнард, физик, возглавляющая Австралийскую организацию научных и промышленных исследований, заявила в интервью в 2014 году: «Мы уже получили триллионы долларов инвестиций от глобальных кремниевых чипов, и мы не покидаем эту прибыльную сферу». '

Завод Samsung по производству полупроводников стоимостью 3,5 миллиарда долларов, Остин, Техас, США.

Существующие игроки либо улучшат существующие продукты, либо проигнорируют новые материалы, прежде чем откажутся от продолжения инвестиций. Полная замена существующих материалов графеном, вероятно, займет много времени, чтобы достичь синергетического применения с такими материалами, как кремний.

Еще одним препятствием является стандартизация. Недавний обзор 60 графеновых продуктов, проведенный Советом по графену, показал, что более 75% из них не имели ни одного свойства материала. Необходимо ввести стандартизацию, если производители хотят эффективно продавать графен.

Кроме того, если материал будет модернизирован в качестве замены, цена на графен должна резко упасть. Графен сегодня дефицитен и дорог, но его необходимо превратить в товарный материал, чтобы стать жизнеспособной альтернативой полупроводникам на основе кремния.

Как только это произойдет, стартапы, ориентированные на графен, возможно, не смогут конкурировать по цене. Более мелкие графеновые стартапы могут выйти из бизнеса или столкнуться с поглощениями со стороны производителей полупроводников, таких как компании по производству материалов, такие как Dow Chemical, которые могут захотеть увеличить производительность графена.