แกนหลักของอุปกรณ์แทบทุกชนิดอยู่ที่วงจรอิเล็กทรอนิกส์และเซมิคอนดักเตอร์ส่วนประกอบเหล่านี้เป็นองค์ประกอบพื้นฐานที่ขับเคลื่อนทุกอย่างตั้งแต่สมาร์ทโฟนและแล็ปท็อปไปจนถึงยานยนต์ไฟฟ้าและระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรม ด้วยความต้องการอย่างต่อเนื่องสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีขนาดเล็กกว่า เร็วกว่า และมีประสิทธิภาพมากขึ้น
วงจรอิเล็กทรอนิกส์และเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้วัสดุกราฟีน เป็นเทคโนโลยีที่กำลังเป็นที่จับตามองอย่างมากในปัจจุบัน เนื่องจากคุณสมบัติพิเศษของกราฟีนที่เหนือกว่าวัสดุเซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิมอย่างซิลิคอนอย่างเห็นได้ชัด นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรจึงหันมาใช้วัสดุที่ปฏิวัติวงการอย่างกราฟีนเพื่อกำหนดอนาคตของการออกแบบวงจรและประสิทธิภาพของเซมิคอนดักเตอร์ใหม่
วงจรอิเล็กทรอนิกส์และเซมิคอนดักเตอร์คืออะไร?
วงจรอิเล็กทรอนิกส์คือเส้นทางที่อิเล็กตรอนจากแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน วงจรประกอบด้วยส่วนประกอบต่างๆ เช่น ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ ไดโอด และทรานซิสเตอร์ โดยแต่ละส่วนประกอบทำหน้าที่เฉพาะเพื่อควบคุมการไหลของไฟฟ้า
ในทางกลับกัน สารกึ่งตัวนำเป็นวัสดุที่มีสภาพนำไฟฟ้าอยู่ระหว่างตัวนำและฉนวน สารกึ่งตัวนำถือเป็นหัวใจสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ โดยเฉพาะในอุปกรณ์ต่างๆ เช่น วงจรรวม (IC) และไมโครชิป ซิลิกอนเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ได้รับความนิยมมาอย่างยาวนาน แต่ข้อจำกัดทางกายภาพของซิลิกอนกำลังกลายเป็นอุปสรรคต่อนวัตกรรมในปัจจุบัน
บทบาทของกราฟีนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่
กราฟีนซึ่งเป็นชั้นเดียวของอะตอมคาร์บอนที่เรียงตัวกันเป็นโครงตาข่ายหกเหลี่ยม ได้กลายมาเป็นผู้เปลี่ยนเกมในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ กราฟีนถูกแยกออกมาครั้งแรกในปี 2004 และเป็นที่รู้จักจากคุณสมบัติทางไฟฟ้า ความร้อน และเชิงกลที่เหนือชั้น
ข้อได้เปรียบหลักของกราฟีนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์:
การนำไฟฟ้าสูง : กราฟีนนำไฟฟ้าได้ดีกว่าทองแดงมาก จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับวงจรความเร็วสูง
ความแข็งแกร่งและความยืดหยุ่นที่เหนือชั้น : แม้ว่าจะมีความหนาเพียงอะตอมเดียว แต่กราฟีนก็แข็งแกร่งกว่าเหล็กและมีความยืดหยุ่นสูง เหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สวมใส่ได้
การกระจายความร้อนที่เหนือกว่า : กระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลดความเสี่ยงของการเกิดความร้อนสูงเกินไปในวงจรที่มีความหนาแน่นสูง
ศักยภาพสำหรับทรานซิสเตอร์ความเร็วสูงพิเศษ : ทรานซิสเตอร์ที่ใช้กราฟีนสามารถทำงานที่ความถี่สูงกว่าทรานซิสเตอร์ซิลิกอนแบบดั้งเดิม จึงช่วยให้มีอุปกรณ์ที่เร็วขึ้นและประหยัดพลังงานมากขึ้น
การประยุกต์ใช้งานของสารกึ่งตัวนำที่ใช้กราฟีน
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่นและพับได้ : ความยืดหยุ่นของกราฟีนทำให้เหมาะกับการใช้งานกับจอแสดงผลแบบโค้งงอ เสื้อผ้าอัจฉริยะ และสมาร์ทโฟนแบบพับได้
การสื่อสารความถี่สูง : ความคล่องตัวของผู้ให้บริการสูงรองรับเทคโนโลยีการสื่อสาร 5G และเทราเฮิร์ตซ์รุ่นถัดไป
อุปกรณ์กักเก็บพลังงาน : กราฟีนยังใช้ในแบตเตอรี่ขั้นสูงและซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่ชาร์จได้เร็วขึ้นและใช้งานได้นานขึ้น
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทางการแพทย์ : ความเข้ากันได้ทางชีวภาพของกราฟีนทำให้สามารถใช้ในไบโอเซนเซอร์ อินเทอร์เฟซระบบประสาท และการวินิจฉัยทางการแพทย์ขั้นสูง
แนวโน้มในอนาคต
แม้ว่ากราฟีนจะยังอยู่ในระหว่างการวิจัยและพัฒนาเพื่อนำไปใช้งานกับเซมิคอนดักเตอร์ในตลาดมวลชน แต่การนำกราฟีนไปใช้งานในวงจรไฮบริดและเซ็นเซอร์ขั้นสูงก็เพิ่มมากขึ้นอย่างต่อเนื่อง อุตสาหกรรมต่างๆ ทั่วโลกต่างลงทุนอย่างหนักในเทคโนโลยีที่ใช้กราฟีน โดยคาดการณ์อนาคตที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะเร็วขึ้น บางลง และปรับตัวได้มากกว่าที่เคย
วงจรอิเล็กทรอนิกส์และสารกึ่งตัวนำยังคงมีอิทธิพลต่อโลกดิจิทัลของเรา และด้วยการถือกำเนิดของกราฟีนเรายืนอยู่บนขอบของยุคใหม่แห่งอิเล็กทรอนิกส์ เมื่อความก้าวหน้าในการวิจัยและวิธีการผลิตดีขึ้น กราฟีนอาจกลายเป็นมาตรฐานใหม่สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นต่อไปในไม่ช้านี้ ซึ่งจะนำมาซึ่งเทคโนโลยีที่ชาญฉลาดกว่า มีประสิทธิภาพมากกว่า และตอบสนองได้สูง ซึ่งจะเปลี่ยนรูปแบบการใช้ชีวิตและการเชื่อมต่อของเรา