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 kehittäneet timanttia hyödyntävän puolijohdelaitteen . Se osoittaa korkeimman läpilyöntijännitteen ja pienimmän vuotovirran, mitä timanttilaitteilla on koskaan raportoitu. Tämä kehitysaskel tasoittaa tietä tehokkaampien teknologioiden käyttöönotolle, joita tarvitaan maailman siirtymiseen uusiutuvaan energiaan.
Tämä tutkimus osoittaa heidän timanttilaitteensa huomattavan kestävyyden. Se osoittaa, että se pystyy käsittelemään hämmästyttävän korkeaa noin 5 kV:n jännitettä . Tämä jänniterajoitus johtuu pikemminkin mittausasetuksista kuin itsestään laitteesta, mikä viittaa vielä suurempaan potentiaaliin. Teoriassa heidän laitteensa voi kestää noin 9 kV:n jännitteen, mikä rikkoo kaikki aiemmat timanttilaitteiden ennätykset. Merkittävästi alhainen vuotovirta ei ainoastaan paranna laitteen kokonaishyötysuhdetta, vaan myös parantaa sen luotettavuutta.
Timanttipuolijohteiden edut
Verrattuna perinteisiin puolijohdemateriaaleihin , kuten piihin, timantti varmistaa, että sähköisessä suorituskyvyssä ei ole kompromisseja. Timantti on merkittävä puolijohde, ja timanttipuolijohdelaitteilla on 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.
Tutkimusta johtava sähkö- ja tietokonetekniikan professori Can Bayram sanoi: ”Jotta sähköverkko vaatisi suurta virtaa ja jännitettä, mikä tekisi kaikesta tehokkaampaa esimerkiksi aurinkopaneeleissa ja tuuliturbiineissa, tarvitsemme teknologiaa, jolla ei ole lämpötilarajaa. Tässä kohtaa timantti astuu kuvaan.”
Timantit koostuvat pohjimmiltaan hiilestä, joka on runsas luonnonvara. Keinotekoisten timanttien syntetisointi on mahdollista viikoissa miljardien vuosien sijaan. Lisäksi tämä prosessi tuottaa huomattavasti vähemmän hiilidioksidipäästöjä – noin 100 kertaa vähemmän . Joten mullistamalla puolijohteet timanttien avulla tutkijat voivat vähentää päästöjä molemmissa päissä.
Puolijohteiden kehitys
Piitä käytetään yleisesti puolijohteiden valmistuksessa, ja ne ovat tähän asti täyttäneet energiavaatimukset.
Mutta professori Byramin mukaan: ”Haluamme varmistaa, että meillä on riittävästi resursseja kaikille, vaikka tarpeemme muuttuvatkin. Tällä hetkellä käytämme yhä enemmän kaistanleveyttä, luomme enemmän dataa (mikä tuo mukanaan myös enemmän tallennustilaa) ja käytämme enemmän energiaa, enemmän sähköä ja yleisesti ottaen enemmän energiaa. Kysymys kuuluu: onko olemassa tapaa, jolla voimme tehdä kaikesta tästä tehokkaampaa sen sijaan, että tuotamme enemmän energiaa ja rakennamme lisää voimalaitoksia?”
Kiihdyttävä voimantarve
Tällä hetkellä sähkölaitteiden arvioidaan hallitsevan 50 % maailman sähköstä. Tämän luvun ennustetaan nousevan 80 prosenttiin alle 10 vuodessa. Myös sähkön kysynnän odotetaan kasvavan 50 % vuoteen 2050 mennessä.
Jotta hiilineutraaliuden maailmanlaajuinen tavoite saavutettaisiin vuoteen 2050 mennessä, elektroniikkamateriaalien käytössä on tehtävä radikaali muutos. Vain tällä tavoin voidaan luoda vakaampi ja luotettavampi sähköverkko. Yhdysvaltain tiede-, tekniikka- ja lääketieteellisten akatemioiden uuden raportin mukaan sähköverkon modernisoinnin ja laajentamisen puutteellinen hoitaminen voi aiheuttaa seuraavat uhat:
- 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: ”Jotta voimme vastata sähkön kysyntään ja modernisoida sähköverkkoa, on erittäin tärkeää siirtyä pois perinteisistä materiaaleista, kuten piistä, uusiin materiaaleihin, joita näemme nykyään käyttöön otettavan, kuten piikarbidiin ja seuraavan sukupolven puolijohteisiin – erittäin leveän kaistanleveyden materiaaleihin – kuten alumiininitridiin, timanttiin ja vastaaviin yhdisteisiin.”
Tulevat mahdollisuudet
Tutkijoiden tavoitteena on mullistaa puolijohteet timanttien avulla tekemällä laite, joka pystyy käsittelemään suuria teho- ja jännitesovelluksia.
”Rakensimme elektronisen laitteen, joka sopii paremmin tulevaisuuden sähköverkkojen ja muiden tehonsyöttöjen suuritehoisiin ja korkeajännitteisiin sovelluksiin. Ja rakensimme tämän laitteen erittäin laajan kaistanleveyden materiaalille, synteettiselle timantille, joka lupaa parempaa hyötysuhdetta ja suorituskykyä kuin nykyisen sukupolven laitteet. Toivottavasti jatkamme tämän laitteen ja muiden kokoonpanojen optimointia, jotta voimme lähestyä timantin materiaalipotentiaalin suorituskykyrajoja”, lisäsi kokeeseen osallistunut jatko-opiskelija ja tutkija Zhuoran Han .
Lähde : Seuraavan sukupolven puolijohteet: Diamond-laite osoittaa korkeimman läpilyöntijännitteen
