Para un consumidor cotidiano, los mejores dispositivos del mercado tienen la mayor velocidad, la mayor memoria y la mayor duración de batería. Para perseguir esta demanda, la vanguardia de la investigación a menudo solo considera estas métricas de rendimiento tangibles al innovar y diseñar productos electrónicos de próxima generación. A raíz de esta estampida tecnológica, los impactos ambientales a largo plazo permanecen ocultos y descuidados bajo el polvo.

Los investigadores de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur (SUTD) esperan ser el catalizador de la ciencia impulsada por la sostenibilidad. El profesor asistente Ang Yee Sin de la facultad de Ciencias, Matemáticas y Tecnología (SMT) señala que muchos materiales que se encuentran en los dispositivos semiconductores convencionales provienen de procesos de extracción dañinos para el medio ambiente, son contaminantes de alto riesgo o plantean graves riesgos para la salud humana.

"La sostenibilidad a nivel material de la tecnología de dispositivos semiconductores se ignora en gran medida. Además, se espera que muchos elementos utilizados en los dispositivos semiconductores se agoten en los próximos 100 años", añadió, generando preocupación por la sostenibilidad a largo plazo de extremo a extremo. .

Con estas consideraciones en mente, su equipo de investigación propuso un nuevo marco unificador que identifica materiales de bajo riesgo para un mayor desarrollo. Tres preguntas principales guiaron su enfoque:1) ¿Cuán abundantes son las materias primas? 2) ¿Cómo podemos obtenerlos? 3) ¿Cuál es su destino al final de su vida operativa?

"A largo plazo, la electrónica también debería estar 'impulsada por el clima'. Las materias primas de la tecnología de semiconductores y la electrónica deben ser compatibles con la agenda global sobre el cambio climático", afirmó el profesor asistente Ang.

El profesor asistente Ang y su equipo buscaron colaboraciones con investigadores de Estados Unidos, China y Malasia. Sus hallazgos se publicaron en un artículo titulado "Hacia materiales sostenibles de van der Waals con banda prohibida ultra ancha:un esfuerzo de detección ab initio", en Advanced Functional Materials. .

En su estudio, se centraron en métodos computacionales de última generación utilizados para complementar el creciente campo de las nanoestructuras y los materiales 2D ultrafinos. Con la llegada de los sistemas de supercomputación modernos, las bases de datos integrales y el software de alta eficiencia, el cribado computacional basado en simulación se ha convertido en un accesorio popular para acelerar la formulación de materiales 2D. Este enfoque selecciona materiales candidatos para esfuerzos precisos de creación de prototipos experimentales.

Sin embargo, los investigadores a menudo se ven disuadidos de buscar opciones ambientalmente seguras, creyendo que hacer cumplir criterios de selección basados ​​en la sostenibilidad podría reducir sustancialmente la cantidad de competidores fuertes disponibles para aplicaciones específicas y conducir a un rendimiento deficiente en el producto final.

Para demostrar la viabilidad de la investigación de materiales sostenibles, el equipo publicó un análisis de los posibles materiales constituyentes disponibles para el diseño sostenible de semiconductores de banda prohibida ultraancha (UWBG). Esta clase particular de semiconductores desempeña un papel fundamental en muchas aplicaciones, desde transistores que se encuentran en computadoras y teléfonos inteligentes hasta electrónica en vehículos y sensores UV en detectores de incendios y tecnologías de atención médica.

En su estudio, el equipo impuso estrictas limitaciones a la búsqueda de materiales ideales. Estos materiales no deben suponer riesgos para el medio ambiente, no son peligrosos para la salud humana y no corren peligro de agotarse. Además, deben cumplir los requisitos clave para funcionar como semiconductores UWBG:deben ser adecuados para funcionamiento en espera de baja potencia, ser mecánicamente robustos y pueden funcionar bien como detectores UV. El equipo también quería materiales que pudieran sintetizarse fácilmente en el laboratorio para garantizar la accesibilidad para una investigación más profunda.

En estas condiciones de búsqueda, los investigadores consolidaron sistemáticamente los materiales candidatos y realizaron cálculos de inspiración cuántica a partir de los fundamentos (ab initio) para garantizar una precisión y un rendimiento constantes. De las 3.000 entradas originales en la base de datos de materiales, el algoritmo de búsqueda seleccionó sólo 25 candidatos restantes. Según estudios previos, se ha descubierto que estos materiales candidatos presentan un alto rendimiento en una amplia gama de aplicaciones.

"Nuestro marco de selección de materiales se centra no sólo en escenarios de aplicación e indicadores clave de rendimiento, sino también en criterios de sostenibilidad que eliminan materiales compuestos por elementos de alto riesgo. Este marco nos permite identificar candidatos de materiales que demuestren un alto rendimiento y que también sean sostenibles en el nivel del material. nivel", explicó el profesor asistente Ang.

Los hallazgos del equipo muestran que la investigación impulsada por la sostenibilidad es posible, logrando un equilibrio entre rendimiento y sostenibilidad. El profesor asistente Ang afirmó:"Nuestro marco de selección de materiales motivado por la sostenibilidad puede servir como una herramienta fundamental para buscar los componentes básicos de un panorama electrónico más ecológico, donde los dispositivos no sólo sean más rápidos, más ligeros, más baratos y tengan una mayor duración de batería, sino que también amigable con el medio ambiente y la salud humana."

Más allá de su demostración, el profesor asistente Ang confía en que el marco desarrollado se pueda emplear en otras clases de materiales. Con una creciente conciencia de la carga antropológica sobre el medio ambiente, la investigación proporciona una plataforma interesante para que científicos, ingenieros e investigadores reconsideren las tecnologías de próxima generación y su compatibilidad con las agendas verdes globales.

El profesor asistente Ang está ansioso por generalizar su innovación en el cribado de materiales a otros materiales 2D. El objetivo a largo plazo del equipo es categorizar y calificar los materiales 2D según su impacto ambiental para proporcionar una guía integral que pueda servir de base para estudios futuros.

Más información: Chuin Wei Tan et al, Hacia materiales sostenibles de banda prohibida ultraancha de van der Waals:un esfuerzo de detección ab initio, Materiales funcionales avanzados (2023). DOI:10.1002/adfm.202308679

Información de la revista: Materiales funcionales avanzados

Proporcionado por la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur