Diamanten sind nicht nur die besten Freunde, sondern könnten auch der Schlüssel zur nachhaltigen Elektrifizierung der Gesellschaft sein. Forscher revolutionieren die Halbleitertechnologie mit Diamanten, und dieses Bauelement birgt großes Potenzial. Es weist den niedrigsten Leckstrom und die höchste Durchbruchspannung auf. Es wird erwartet, dass dieses Bauelement das Ziel der Klimaneutralität bis 2050 erreichen wird.
Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign haben ein Halbleiterbauelement mit Diamant entwickelt . Es weist die höchste jemals für Diamantbauelemente gemessene Durchbruchspannung und den niedrigsten Leckstrom auf . Diese Entwicklung ebnet den Weg für den Einsatz effizienterer Technologien, die für die weltweite Energiewende hin zu erneuerbaren Energien unerlässlich sind.
Diese Forschung demonstriert die bemerkenswerte Belastbarkeit ihrer Diamantvorrichtung. Sie zeigt, dass sie eine erstaunlich hohe Spannung von ca. 5 kV aushält . Diese Spannungsbegrenzung ist auf den Messaufbau und nicht auf die Vorrichtung selbst zurückzuführen, was auf ein noch größeres Potenzial hindeutet. Theoretisch kann ihre Vorrichtung Spannungen von ca. 9 kV standhalten und damit alle bisherigen Rekorde für Diamantvorrichtungen brechen. Der bemerkenswert niedrige Leckstrom steigert nicht nur die Gesamteffizienz der Vorrichtung, sondern verbessert auch ihre Zuverlässigkeit.
Vorteile von Diamanthalbleitern
Im Vergleich zu herkömmlichen Halbleitermaterialien wie Silizium gewährleistet Diamant kompromisslose elektrische Leistungsfähigkeit. Diamant ist ein bemerkenswerter Halbleiter, und Diamant-Halbleiterbauelemente weisen folgende Eigenschaften auf:
- Hohe Wärmeleitfähigkeit
- Guter Wärmeleiter
- Es kann bei deutlich höheren Spannungen und Strömen funktionieren
- Es verbraucht weniger Material und leitet die Wärme effizient ab
- Es weist eine außergewöhnliche Reduzierung des Leckstroms auf.
Can Bayram , Professor für Elektrotechnik und Informatik und Leiter der Forschungsarbeiten , sagte: „Für ein Stromnetz, das hohe Stromstärken und hohe Spannungen benötigt, um Anwendungen wie Solaranlagen und Windkraftanlagen effizienter zu gestalten, brauchen wir eine Technologie ohne thermische Grenzen. Hier kommt Diamant ins Spiel.“
Diamanten bestehen im Wesentlichen aus Kohlenstoff, einem reichlich vorhandenen Rohstoff. Künstliche Diamanten lassen sich innerhalb von Wochen statt Milliarden von Jahren synthetisieren . Zudem entstehen bei diesem Verfahren deutlich weniger Kohlenstoffemissionen – etwa 100-mal weniger . Indem Forscher also Halbleiter mithilfe von Diamanten revolutionieren, können sie die Emissionen an beiden Enden des Produktionsprozesses reduzieren.
Fortschritte bei Halbleitern
Bei der Herstellung von Halbleitern wird üblicherweise Silizium verwendet, das bislang den Energiebedarf gedeckt hat.
Laut Prof. Byram wollen wir sicherstellen, dass wir über genügend Ressourcen für alle verfügen, während sich unsere Bedürfnisse weiterentwickeln. Aktuell nutzen wir immer mehr Bandbreite, erzeugen immer mehr Daten (und benötigen dadurch auch mehr Speicherplatz) und verbrauchen immer mehr Strom und Energie im Allgemeinen. Die Frage ist: Gibt es eine Möglichkeit, all dies effizienter zu gestalten, anstatt mehr Energie zu erzeugen und mehr Kraftwerke zu bauen?
Der steigende Bedarf an Energie
Aktuell wird geschätzt, dass elektrische Energieanlagen 50 % des weltweiten Stromverbrauchs steuern. Prognosen zufolge wird dieser Anteil in weniger als zehn Jahren auf 80 % steigen . Auch der Strombedarf soll bis 2050 um 50 % zunehmen.
Um das globale Ziel der Klimaneutralität bis 2050 zu erreichen, ist ein radikaler Wandel bei den elektronischen Materialien unerlässlich. Nur so kann ein robusteres und zuverlässigeres Stromnetz aufgebaut werden. Laut einem neuen Bericht der Nationalen Akademien der Wissenschaften, der Ingenieurwissenschaften und der Medizin birgt die unzureichende Modernisierung und der Ausbau des Stromnetzes folgende Gefahren:
- Eine Bedrohung für den erfolgreichen Übergang zu nachhaltige Energie.
- Unzureichende Übertragungskapazität würde den Einsatz erneuerbarer Energien behindern und möglicherweise zu einem vorübergehenden Anstieg der Emissionen fossiler Brennstoffe führen.
- Weitere Untergrabung die Bemühungen der Nation zur Senkung seiner Gesamtemissionen kann das Erreichen seiner Emissionsreduktionsziele behindern.
Professor Can Bayram sagte: „Um diesen Strombedarf zu decken und das Stromnetz zu modernisieren, ist es sehr wichtig, dass wir uns von herkömmlichen Materialien wie Silizium abwenden und uns den neuen Materialien zuwenden, die wir heute im Einsatz sehen, wie Siliziumkarbid und die nächste Generation von Halbleitern – Materialien mit ultrabreiter Bandlücke – wie Aluminiumnitrid, Diamant und verwandte Verbindungen.“
Kommende Gelegenheiten
Das Ziel der Forscher besteht darin, die Halbleiterindustrie mithilfe von Diamanten zu revolutionieren, indem sie ein Gerät entwickeln, das für Anwendungen mit hoher Leistung und Spannung geeignet ist.
„Wir haben ein elektronisches Gerät entwickelt, das sich besser für Hochleistungs- und Hochspannungsanwendungen im zukünftigen Stromnetz und anderen Energieanwendungen eignet. Dieses Gerät basiert auf synthetischem Diamant, einem Material mit extrem großer Bandlücke, das eine höhere Effizienz und bessere Leistung als Geräte der aktuellen Generation verspricht. Wir hoffen, dieses Gerät und weitere Konfigurationen weiter zu optimieren, um das Leistungspotenzial von Diamant voll auszuschöpfen“, fügte Zhuoran Han , Doktorand und Forscher in diesem Experiment, hinzu.
Quelle : Halbleiter der nächsten Generation: Diamantbauelement weist höchste Durchbruchspannung auf
