För en vanlig konsument har de bästa prylarna på marknaden den högsta hastigheten, det största minnet och den längsta batteritiden. För att jaga denna efterfrågan tar forskningens framkant ofta bara hänsyn till dessa påtagliga prestandamått när de förnyar och designar nästa generations elektronik. I kölvattnet av denna tekniska stormsteg ligger de långsiktiga miljöpåverkan skymda och försummade under dammet.

Forskare vid Singapore University of Technology and Design (SUTD) hoppas kunna vara katalysatorn för hållbarhetsdriven vetenskap. Biträdande professor Ang Yee Sin från fakulteten Science, Mathematics and Technology (SMT) noterar att många material som finns i konventionella halvledarenheter kommer från miljöskadliga utvinningsprocesser, är högriskföroreningar eller utgör allvarliga hälsorisker för människor.

"Hållbarheten på materialnivå för halvledarenhetsteknologi ignoreras till stor del. Dessutom förväntas många element som används i halvledarenheter vara uttömda inom de kommande 100 åren", tillade han och väckte oro över långsiktig hållbarhet från slut till slut. .

Med dessa överväganden i åtanke föreslog hans forskargrupp ett nytt enande ramverk som identifierar lågriskmaterial för vidareutveckling. Tre primära frågor styrde deras tillvägagångssätt:1) Hur rikliga är råvarorna? 2) Hur kan vi få dem? 3) Vad är deras öde vid slutet av deras operativa livstid?

"I det långa loppet bör elektroniken också vara "klimatdriven". De råa ingredienserna i halvledarteknologi och elektronik måste vara kompatibla med den globala klimatförändringsagendan", säger professor Ang.

Asst Prof Ang och hans team sökte samarbeten med forskare från USA, Kina och Malaysia. Deras resultat publicerades i en artikel med titeln "Toward sustainable ultrawide bandgap van der Waals materials:An ab initio screening effort," i Advanced Functional Materials .

I sin studie fokuserade de på state-of-the-art beräkningsmetoder som används för att komplettera det växande området av nanostrukturer och ultratunna 2D-material. Med tillkomsten av moderna superdatorsystem, omfattande databaser och högeffektiv programvara har simuleringsinformerad beräkningsscreening blivit ett populärt tillbehör för att accelerera 2D-materialformulering. Detta tillvägagångssätt kortlistar kandidatmaterial för exakta experimentella prototypinsatser.

Men forskare avskräcks ofta från att undersöka miljösäkra alternativ, eftersom de tror att genomdrivande av hållbarhetsdrivna screeningskriterier avsevärt kan minska antalet tillgängliga starka utmanare för specifika tillämpningar och leda till dåliga prestanda i slutprodukten.

För att demonstrera lönsamheten av hållbar materialforskning publicerade teamet en analys av möjliga ingående material tillgängliga för hållbar design av ultrawide bandgap (UWBG) halvledare. Denna speciella klass av halvledare spelar en avgörande roll i många applikationer – från transistorer som finns i datorer och smartphones till elektronik i fordon och UV-sensorer i branddetektorer och sjukvårdstekniker.

I sin studie satte teamet stränga begränsningar för sökandet efter idealiska material. Dessa material får inte utgöra risker för miljön, är ofarliga för människors hälsa och löper ingen fara för utarmning. Dessutom måste de uppfylla nyckelkraven för att fungera som UWBG-halvledare:de måste vara lämpade för lågeffekts standby-drift, är mekaniskt robusta och kan fungera bra som UV-detektorer. Teamet ville också ha material som enkelt kunde syntetiseras i laboratoriet för att säkerställa tillgänglighet för djupare forskning.

Under dessa sökförhållanden konsoliderade forskarna systematiskt kandidatmaterial och utförde kvantinspirerade beräkningar från grunderna (ab initio) för att säkerställa konsekvent noggrannhet och prestanda. Från 3 000 ursprungliga poster i materialdatabasen sållade sökalgoritmen ut endast 25 återstående kandidater. Baserat på tidigare studier har dessa kandidatmaterial visat sig uppvisa hög prestanda över ett brett spektrum av tillämpningar.

"Vårt ramverk för materialscreening fokuserar inte bara på tillämpningsscenarier och nyckelprestandaindikatorer, utan också på hållbarhetskriterierna som eliminerar material som består av högriskelement. Detta ramverk tillåter oss att identifiera materialkandidater som uppvisar hög prestanda och som också är hållbara i materialet. nivå", förklarade professor Ang.

Teamets resultat visar att hållbarhetsdriven forskning är möjlig, vilket uppnår balans mellan prestanda och hållbarhet. Asst Prof Ang sa:"Vårt hållbarhetsmotiverade materialscreeningsramverk kan fungera som ett kritiskt verktyg för att söka efter byggstenarna i ett grönare elektroniklandskap, där enheter inte bara är snabbare, lättare, billigare och har längre batteritid, utan också vänlig mot miljön och människors hälsa."

Utöver deras demonstration är professor Ang övertygad om att det framtagna ramverket kan användas för andra materialklasser. Med en växande medvetenhet om den antropologiska bördan på miljön ger forskningen en spännande plattform för forskare, ingenjörer och forskare att ompröva nästa generations teknik och dess kompatibilitet med globala gröna agenda.

Asst Prof Ang är angelägen om att generalisera sin innovation inom materialscreening till andra 2D-material. Teamets långsiktiga mål är att kategorisera och betygsätta 2D-material efter deras miljöpåverkan för att tillhandahålla en holistisk riktlinje som ytterligare kan informera framtida studier.

Mer information: Chuin Wei Tan et al, Toward Sustainable Ultrawide Bandgap van der Waals Materials:An ab initio Screening Effort, Advanced Functional Materials (2023). DOI:10.1002/adfm.202308679

Journalinformation: Avancerat funktionsmaterial

Tillhandahålls av Singapore University of Technology and Design