Optoelektronika: co już zmieniła, a co jeszcze zmieni

Optoelektronika obejmuje układy, które wykorzystują w jakiś sposób światło. Pod tym niewinnym i dość intuicyjnym opisem kryje się całe mnóstwo przydatnych urządzeń: od diod LED, przez światłowody, po detektory i lasery. Światło w takich układach jest emitowane, odbierane lub przesyłane, w zależności od tego, jaka ma być jego funkcja. Wykorzystanie światła w elektronice ma oczywiście wiele zalet. Przesyłanie sygnałów za jego pomocą pozwala na ogromne prędkości transferu danych. Również w przetwarzaniu informacji można osiągnąć znaczne zwiększenie prędkości i wydajności.

Jedną z cegiełek w rozwoju nowoczesnej i szybkiej elektroniki było odkrycie w 2004 r. grafenu. Wcześniej panowało przekonanie, że układy elektroniczne o wysokiej wydajności wymagają skomplikowanej techniki wytwarzania, zwanej epitaksjalnym wzrostem materiałów. Polega on na kontrolowanym wytwarzaniu półprzewodników warstwa, po warstwie, w taki sposób, aby każda kolejna miała strukturę krystaliczną taką jak podłoże. Proces ten pozwala na uzyskiwanie struktur krystalicznych o bardzo wysokiej czystości, które wydawały się do zaawansowanej optoelektroniki idealne, ale też niezbędne. Kiedy jednak opisano właściwości grafenu, okazało się, że tak daleka dokładność nie jest konieczna. Za pomocą jego i jemu podobnych materiałów, można wytwarzać cienkie warstwy o doskonałych właściwościach przewodnictwa, łączyć je ze sobą i nanosić je na różne podłoża, przy zachowaniu dobrych parametrów. Takie podejście nazywa się transferem warstwowym.

Dzięki dalszym badaniom i odkrywaniu nowych materiałów van der Waalsa (do tej grupy należy właśnie grafen) udało się znacznie przesunąć granice miniaturyzacji w elektronice. Pomogło to też dojść do wydajności nieosiągalnej dla tradycyjnych półprzewodników, uzyskując ogromne prędkości przetwarzania informacji przy rekordowo niskim zużyciu energii. Zwiększona wydajność jest oczywiście jedną z najbardziej pożądanych właściwości układów optoelektronicznych, zwłaszcza odkąd zaczął się światowy boom na generatywne sztuczne inteligencje (genAI). Transfer warstwowy otworzył też drzwi dla elektroniki cienkowarstwowej – składającej się tylko z dwuwymiarowych warstw przewodzących, które nałożone jedna na drugą tworzą układ.

Inżynierowie i naukowcy mają nadzieję, że dalsze badania pozwolą na powszechną komercjalizację cienkowarstwowych układów optoelektronicznych, wykorzystujących materiały van der Waalsa i technikę transferu warstw. Dzięki temu powinno być możliwe osiągnie coraz lepszych parametrów i kolejne przesuwanie granic miniaturyzacji. Lepsze opanowanie technik wytwarzania cienkich warstw mogłoby też zmniejszyć zużycie materiałów, co przekłada się pozytywnie na koszty finansowe i środowiskowe. Obecnie dużo uwagi poświęca się zwłaszcza dwuwymiarowym wyświetlaczom oraz fotowoltaice. Przeszkodą na tej drodze jest zwykle stabilność układów cienkowarstwowych – nadal jest zbyt niska, aby równoważyć koszty ich wytwarzania.

Równocześnie, ciekawostką jest fakt, że niektóre defekty w morfologii materiałów, które w tradycyjnej elektronice osłabiałyby i dyskwalifikowały wytworzony materiał, w elektronice cienkowarstwowej mogą się okazać zjawiskiem pozytywnym. Takie obserwacje zwiększają nadzieję, że uda się wytwarzać funkcjonalne układy cienkowarstwowe na dużej skali prostymi metodami. I to właśnie stanowi w tej chwili kluczowe wyzwanie w rozwoju optoelektroniki.