Vaikka timantti voi olla tytön paras ystävä, se voi myös olla avain yhteiskunnan sähköistymisen ylläpitämiseen. Tutkijat mullistavat puolijohteita timanteilla, ja tässä laitteessa on suuri potentiaali. Sillä on pienin vuotovirta ja suurin läpilyöntijännite. Tämän laitteen odotetaan saavuttavan hiilineutraaliuden tavoitteen vuoteen 2050 mennessä.
Illinoisin yliopiston Urbana-Champaignin tutkijat ovat suunnitteli puolijohdelaitteen timanttia hyödyntäen. Se esittelee suurin läpilyöntijännite ja pienin vuotovirta koskaan raportoitu timanttilaitteista. Tämä kehitys tasoittaa tietä tehokkaampien teknologioiden käyttöönotolle, joita tarvitaan maailman siirtyessä uusiutuviin energialähteisiin.
Tämä tutkimus osoittaa heidän timanttilaitteensa huomattavan kestävyyden. Se osoittaa, että se pystyy käsittelemään hämmästyttävän paljon noin 5 kV korkeajännite. Tämä jännitteen rajoitus johtuu pikemminkin mittausasetuksista kuin itse laitteesta, mikä viittaa vielä suurempaan potentiaaliin. Teoriassa heidän laitteensa voi kestää noin 9 kV, rikkoen kaikki aiemmat timanttilaitteiden ennätykset. Huomattavasti alhainen vuotovirta ei ainoastaan lisää laitteen yleistä tehokkuutta, vaan myös parantaa sen luotettavuutta.
Timanttipuolijohteiden edut
Perinteisiin verrattuna puolijohde materiaalit, kuten pii, timantti, varmistavat, että sähköisessä suorituskyvyssä ei tehdä kompromisseja. Diamond on merkittävä puolijohde ja timanttipuolijohdelaitteet sisältävät seuraavat ominaisuudet:
- Korkea lämmönjohtavuus
- Hyvä lämmönjohdin
- Se voi toimia huomattavasti suuremmilla jännitteillä ja virroilla
- Se käyttää vähemmän materiaalia samalla kun se poistaa lämpöä tehokkaasti
- Sillä on poikkeuksellisen alhainen vuotovirta.
Voiko Bayram, sähkö- ja tietotekniikan professori on johtaa tutkimusta, sanoi, "Jotta tarvitaan sähköverkko, jossa tarvitaan suurta virtaa ja korkeaa jännitettä, mikä tekee kaikesta tehokkaampaa sovelluksissa, kuten aurinkopaneeleissa ja tuulivoimaloissa, tarvitsemme teknologiaa, jolla ei ole lämpörajoituksia. Siellä timantti tulee esiin."
Timantit on pääosin valmistettu hiilestä, joka on runsas luonnonvara. Se on elinkelpoinen syntetisoida keinotekoiset timantit viikoissa miljardien vuosien sijaan. Lisäksi tämä prosessi tuottaa merkittävästi vähemmän hiilidioksidipäästöjä – noin 100 kertaa vähemmän. Joten mullistamalla puolijohteet timanteilla tutkijat voivat vähentää päästöjä molemmista päistä.
Puolijohteiden kehitys
Piitä käytetään yleisesti puolijohteiden valmistuksessa, ja ne ovat tähän asti täyttäneet energiavaatimukset.
Mutta prof. Byramin mukaan "Haluamme varmistaa, että meillä on tarpeeksi resursseja kaikille, samalla kun tarpeemme kehittyvät. Tällä hetkellä käytämme yhä enemmän kaistanleveyttä, luomme enemmän dataa (johon sisältyy myös enemmän tallennustilaa) ja käytämme enemmän tehoa, enemmän sähköä ja enemmän energiaa yleensä. Kysymys kuuluu: voimmeko tehdä tästä kaikesta tehokkaampaa sen sijaan, että tuottaisimme enemmän energiaa ja rakennamme lisää voimalaitoksia?"
Kiihdyttävä voimantarve
Tällä hetkellä teholaitteiden arvioidaan olevan tarkista 50% maailman sähköstä. Tämän luvun ennustetaan olevan nousta 80 prosenttiin alle 10 vuodessa. Myös sähkön kysynnän odotetaan kasvavan 50% 2050.
Hiilineutraaliuden maailmanlaajuisen tavoitteen saavuttamiseksi vuoteen 2050 mennessä sähköisten materiaalien radikaali muutos on välttämätöntä. Silloin rakennetaan vain kestävämpi ja luotettavampi sähköverkko. Mukaan a uusi raportti National Academy of Sciences, Engineering and Medicine -akatemiastasähköverkon nykyaikaistamiseen ja laajentamiseen liittyvät mahdolliset vaikutukset aiheuttaa seuraavia uhkia:
- Uhka onnistuneelle siirtymiselle kohti kestävää energiaa.
- Riittämätön siirtokapasiteetti estäisi uusiutuvien energialähteiden käyttöönottoa, mikä mahdollisesti johtaisi tilapäiseen fossiilisten polttoaineiden päästöjen nousuun.
- Lisää heikentämistä kansakunnan ponnisteluja kokonaispäästöjen vähentäminen voi haitata sen päästövähennystavoitteiden saavuttamista.
Professori Can Bayram sanoi: "Näiden sähkötarpeiden tyydyttämiseksi ja sähköverkon modernisoimiseksi on erittäin tärkeää, että siirrymme pois perinteisistä materiaaleista, kuten piistä, uusiin materiaaleihin, joita näemme nykyään omaksuvan, kuten piikarbidin ja seuraavan sukupolven puolijohteiden – erittäin leveiden kaistanvälisten materiaalien – kuten alumiininitridin, timanttien ja vastaavien yhdisteiden käyttöön."
Tulevat mahdollisuudet
Tutkijoiden tavoitteena on mullistaa puolijohteet timanttien avulla tekemällä laite, joka pystyy käsittelemään suuria teho- ja jännitesovelluksia.
"Rakensimme elektronisen laitteen, joka sopii paremmin suuritehoisiin, korkeajännitesovelluksiin tulevaisuuden sähköverkkoon ja muihin sähkösovelluksiin. Ja rakensimme tämän laitteen erittäin leveän bandgap-materiaalille, synteettiselle timantille, joka lupaa paremman tehokkuuden ja paremman suorituskyvyn kuin nykyisen sukupolven laitteet. Toivottavasti jatkamme tämän laitteen ja muiden kokoonpanojen optimointia, jotta voimme lähestyä timantin materiaalipotentiaalin suorituskykyrajoja", Zhuoran Han, lisäsi tämän kokeen jatko-opiskelija ja tutkija.
Lähde: Seuraavan sukupolven puolijohteet: Timanttilaite näyttää korkeimman läpilyöntijännitteen
