שבב מוליך-למחצה המורכב מעץ

“מרבית החומר הנכלל בתוך שבב היא המצע. אנו משתמשים רק במיקרומטרים אחדים לשאר הרכיבים שלו,” מסביר החוקר הראשי. “כעת, השבבים כל כך בטוחים לסביבה שאתה יכול להשאיר אותם ביער ולתת לפטריות לפרק אותם

רכיבי אלקטרוניקה הנכללים בתוך התקנים ניידים – המורכבים לרוב מחומרים בלתי מתחדשים, שאינם מתפרקים ביולוגית וכאלו העשויים להיות רעילים – מושלכים לאשפה בקצב מדאיג במסגרת מרדפו של הצרכן אחר המכשיר האלקטרוני המתקדם ביותר. מרבצים כאלו של פסולת אלקטרונית מהווים סכנה באיזורים רבים בעולם.

במסגרת המאמץ להקל על העומס הסביבתי של התקנים אלקטרוניים, צוות חוקרים מאוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון הצליח לפתח פתרון מפתיע: שבב מוליך-למחצה המורכב כמעט כולו מעץ. ממצאי המחקר פורסמו לאחרונה בכתב העת המדעי היוקרתיNature Communications. המאמר מדגים כיצד ניתן להחליף בקלות את המצע, או שכבת הבסיס, הרגילה של שבב מחשב בננו-סיבים של תאית (וויקיפדיה) – חומר גמיש המתפרק ביולוגית המתקבל מעץ.

“מרבית החומר הנכלל בתוך שבב היא המצע. אנו משתמשים רק במיקרומטרים אחדים לשאר הרכיבים שלו,” מסביר החוקר הראשי. “כעת, השבבים כל כך בטוחים לסביבה שאתה יכול להשאיר אותם ביער ולתת לפטריות לפרק אותם. הם הופכים לבטוחים כמו דשנים”. אם אתה לוקח עץ גדול ומפרק אותו לסיבים הבודדים שבתוכו, המוצר הנפוץ ביותר הוא נייר. הממד של הסיב הוא ברמת המיקרון,” מסביר החוקר. “אך, מה היה קורה אם היינו מפרקים אותו עוד יותר לרמה הננומטרית? ברמה כזו אתה יכול להפוך את המוצר הזה לנייר שקוף וחזק מאוד המורכב מסיבי תאית.”

החוקרים ניצבו בפני שני מחסומים עיקריים בבואם להשתמש בחומרים מבוססי עץ במכשירים אלקטרוניים: חלקלקות המשטח והתפשטות תרמית. “אתה לא רוצה שהחומר יתרחב או יתכווץ יותר מדי. עץ הוא חומר טבעי היגרוסקופי המסוגל לספוג לחות מהאוויר ולהתרחב,” מסביר החוקר. “בעזרת שימוש בציפוי אפוקסי על גבי המשטח של ננו-סיבי התאית פתרנו את שתי הבעיות יחדיו.”

“היתרון הגדול של ננו-סיבי תאית בהשוואה לפולימרים אחרים טמון בכך שהוא חומר ביולוגי ואילו שאר הפולימרים הם פולימרים המבוססים על נפט ומוצריו. ביו-חומרים הם חומרים ברי-קיימא, תואמים ביולוגית המתפרקים בצורה ביולוגית,” מציין החוקר. “ובנוסף, בהשוואה לפולימרים אחרים, לננו-סיבי תאית יש למעשה מקדם התפשטות תרמית נמוך יחסית.”

החוקרים הדגימו גם תהליך ידידותי יותר לסביבה לייצור השבבים הללו. מרבית ההתקנים האלחוטיים כיום כוללים בתוכם שבבי גאליום-ארסניד הודות לפעילות המשופרת שלהם בתדירות גבוהה וביצועיהם האלקטרוניים. יחד עם זאת, החומר גאליום-ארסניד עלול להיות רעיל לסביבה, במיוחד בעקבות השלכה לפסולת של כמויות ניכרות של מכשירים אלקטרוניים אלחוטיים. החוקרים הצליחו לפתח תהליך חדש המצמצם באופן חד את השימוש בחומר היקר והרעיל הזה. “הצלחתי למקם 1500 טרנזיסטורים של גאליום-ארסניד בשבב ששטחו 5 על 6 מילימטרים. עבור שבב בגודל כזה, בדרך כלל, ממקמים רק 40-8 טרנזיסטורים. שארית השטח פשוט מיותרת,” הוא מציין. “לקחנו את העיצוב שלנו ויישמנו אותו על ננו-סיבי תאית באמצעות שיטת הרכבה יעילה, וכך אנו מסוגלים למקם אותם בכל מקום שנרצה וליצור מעגל חשמלי פעיל לחלוטין עם ביצועים השווים ברמתם לשבבים קיימים.”

בעוד שיכולתם של חומרים אלו להתפרק ביולוגית תביא להשפעה חיובית על הסביבה, החוקר מציין כי הגמישות של הטכנולוגיה תוביל לאימוץ נפוץ של שבבים אלקטרוניים אלו. “הייצור ההמוני הנוכחי של שבבים מוליכים-למחצה הוא זול מאוד, ולכן ייתכן שיעבור זמן רב עד שהתעשייה תתחיל להשתמש בעיצוב שלנו,” אומר החוקר. “יחד עם זאת, רכיבי אלקטרוניקה גמישים הם העתיד, ואנו סבורים שאנו מאוד קרובים לשם.”

הידיעה על המחקר באתר אוניברסיטת ויסקונסין במדיסין