Les chercheurs proposent un cadre pour une gestion responsable de la recherche sur les matériaux ultrafins

Pour un consommateur quotidien, les meilleurs gadgets du marché ont la vitesse la plus élevée, la plus grande mémoire et la plus longue durée de vie de la batterie. Pour répondre à cette demande, la recherche de pointe ne prend souvent en compte que ces mesures de performance tangibles lors de l'innovation et de la conception de l'électronique de nouvelle génération. À la suite de cette ruée technologique, les impacts environnementaux à long terme sont obscurcis et négligés sous la poussière.

Les chercheurs de l’Université de technologie et de design de Singapour (SUTD) espèrent jouer un rôle de catalyseur pour une science axée sur la durabilité. Le professeur adjoint Ang Yee Sin de la faculté des sciences, mathématiques et technologies (SMT) note que de nombreux matériaux présents dans les dispositifs semi-conducteurs conventionnels proviennent de processus d'extraction dommageables pour l'environnement, sont des polluants à haut risque ou présentent de graves risques pour la santé humaine.

“La durabilité matérielle de la technologie des dispositifs semi-conducteurs est largement ignorée. En outre, de nombreux éléments utilisés dans les dispositifs semi-conducteurs devraient être épuisés au cours des 100 prochaines années”, a-t-il ajouté, soulevant des inquiétudes quant à la durabilité à long terme et de bout en bout. .

En gardant ces considérations à l’esprit, son équipe de recherche a proposé un nouveau cadre unificateur identifiant les matériaux à faible risque pour un développement ultérieur. Trois questions principales ont guidé leur approche : 1) Quelle est l'abondance des matières premières ? 2) Comment peut-on les obtenir ? 3) Quel est leur sort à la fin de leur durée de vie opérationnelle ?

« À long terme, l'électronique devrait également être « axée sur le climat ». Les matières premières de la technologie des semi-conducteurs et de l'électronique doivent être compatibles avec l'agenda mondial en matière de changement climatique”, a déclaré le professeur adjoint Ang.

Asst Prof Ang et son équipe ont recherché des collaborations avec des chercheurs des États-Unis, de Chine et de Malaisie. Leurs conclusions ont été publiées dans un article intitulé « Vers des matériaux van der Waals à bande interdite ultra-large durables : un effort de dépistage ab initio » dans Matériaux fonctionnels avancés.

Dans leur étude, ils se sont concentrés sur les méthodes informatiques de pointe utilisées pour compléter le domaine croissant des nanostructures et des matériaux 2D ultrafins. Avec l’avènement des systèmes de calcul intensif modernes, des bases de données complètes et des logiciels à haute efficacité, le criblage informatique basé sur la simulation est devenu un accessoire populaire pour accélérer la formulation de matériaux 2D. Cette approche présélectionne les matériaux candidats pour des efforts de prototypage expérimental précis.

Cependant, les chercheurs sont souvent dissuadés d’examiner des options respectueuses de l’environnement, estimant que l’application de critères de sélection axés sur la durabilité pourrait réduire considérablement le nombre de concurrents sérieux disponibles pour des applications spécifiques et conduire à de mauvaises performances dans le produit final.

Pour démontrer la viabilité de la recherche sur les matériaux durables, l'équipe a publié une analyse des matériaux constitutifs possibles disponibles pour la conception durable de semi-conducteurs à bande interdite ultra-large (UWBG). Cette classe particulière de semi-conducteurs joue un rôle central dans de nombreuses applications, depuis les transistors présents dans les ordinateurs et les smartphones jusqu'aux composants électroniques des véhicules et aux capteurs UV des détecteurs d'incendie et des technologies de soins de santé.

Dans leur étude, l’équipe a imposé des contraintes strictes sur la recherche des matériaux idéaux. Ces matériaux ne doivent pas présenter de risques pour l'environnement, ne sont pas dangereux pour la santé humaine et ne risquent pas de s'épuiser. En outre, ils doivent répondre aux exigences clés pour servir de semi-conducteurs UWBG : ils doivent être adaptés à un fonctionnement en veille à faible consommation, être mécaniquement robustes et pouvoir fonctionner correctement en tant que détecteurs UV. L’équipe souhaitait également des matériaux pouvant être facilement synthétisés en laboratoire afin de garantir l’accessibilité à des recherches plus approfondies.

Dans ces conditions de recherche, les chercheurs ont systématiquement consolidé les matériaux candidats et effectué des calculs d’inspiration quantique à partir des principes fondamentaux (ab initio) pour garantir une précision et des performances constantes. Sur les 3 000 entrées initiales de la base de données des matériaux, l’algorithme de recherche n’a sélectionné que 25 candidats restants. Sur la base d'études antérieures, il a été constaté que ces matériaux candidats présentent des performances élevées dans un large éventail d'applications.

« Notre cadre de sélection des matériaux se concentre non seulement sur les scénarios d'application et les indicateurs de performance clés, mais également sur les critères de durabilité qui éliminent les matériaux composés d'éléments à haut risque. Ce cadre nous permet d'identifier les matériaux candidats qui démontrent des performances élevées et sont également durables au niveau du matériau. niveau”, a expliqué le professeur adjoint Ang.

Les résultats de l'équipe montrent qu'une recherche axée sur la durabilité est possible, en atteignant un équilibre entre performance et durabilité. Le professeur adjoint Ang a déclaré : « Notre cadre de sélection des matériaux motivé par la durabilité peut servir d'outil essentiel pour rechercher les éléments constitutifs d'un paysage électronique plus vert, où les appareils sont non seulement plus rapides, plus légers, moins chers et ont une durée de vie de batterie plus longue, mais également respectueux de l'environnement et de la santé humaine.

Au-delà de leur démonstration, Asst Prof Ang est convaincu que le cadre développé peut être utilisé pour d'autres classes de matériaux. Avec une prise de conscience croissante du fardeau anthropologique sur l’environnement, la recherche offre une plateforme passionnante aux scientifiques, ingénieurs et chercheurs pour repenser les technologies de nouvelle génération et leur compatibilité avec les programmes verts mondiaux.

Asst Prof Ang est impatient de généraliser son innovation en matière de criblage de matériaux à d'autres matériaux 2D. L'objectif à long terme de l'équipe est de classer et de noter les matériaux 2D en fonction de leur impact environnemental afin de fournir une ligne directrice holistique pouvant éclairer davantage les études futures.