Si le diamant est peut-être le meilleur ami d'une femme, il pourrait aussi être la clé de l'électrification durable de la société. Les chercheurs révolutionnent les semi-conducteurs grâce au diamant, et ce dispositif recèle un potentiel considérable. Il présente le courant de fuite le plus faible et la tension de claquage la plus élevée. Ce dispositif devrait atteindre l'objectif de neutralité carbone d'ici 2050.
Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont mis au point un dispositif semi-conducteur à base de diamant . Ce dispositif présente la tension de claquage la plus élevée et le courant de fuite le plus faible jamais enregistrés pour un composant en diamant. Cette avancée ouvre la voie au déploiement de technologies plus performantes, indispensables à la transition énergétique mondiale vers les énergies renouvelables.
Cette recherche met en lumière l'endurance remarquable de leur dispositif en diamant. Elle démontre sa capacité à supporter une tension étonnamment élevée d'environ 5 kV . Cette limitation de tension est due au dispositif de mesure et non au dispositif lui-même, ce qui laisse entrevoir un potentiel encore plus grand. En théorie, leur dispositif peut supporter environ 9 kV , battant ainsi tous les records précédents pour les dispositifs en diamant. Le courant de fuite remarquablement faible améliore non seulement l'efficacité globale du dispositif, mais aussi sa fiabilité.
Avantages des semi-conducteurs diamantés
Comparé aux matériaux semi-conducteurs conventionnels tels que le silicium, le diamant garantit des performances électriques optimales. Le diamant est un semi-conducteur remarquable et les dispositifs à base de diamant présentent les caractéristiques suivantes :
- Haute conductivité thermique
- Bon conducteur de chaleur
- Il peut fonctionner à des tensions et des courants nettement plus élevés
- Il utilise moins de matériaux tout en dissipant efficacement la chaleur
- Il présente une réduction exceptionnelle du courant de fuite.
Can Bayram , professeur de génie électrique et informatique qui dirige les recherches , a déclaré : « Pour disposer d’un réseau électrique nécessitant un courant et une tension élevés, indispensables à une efficacité accrue des applications telles que les panneaux solaires et les éoliennes, il nous faut une technologie sans limite thermique. C’est là que le diamant entre en jeu. »
Les diamants sont essentiellement composés de carbone, une ressource abondante. Il est possible de synthétiser des diamants artificiels en quelques semaines au lieu de milliards d'années. De plus, ce procédé génère beaucoup moins d'émissions de carbone – environ 100 fois moins . Ainsi, en révolutionnant les semi-conducteurs grâce aux diamants, les chercheurs peuvent réduire les émissions à la source et à la production.
Progrès dans les semi-conducteurs
Le silicium est couramment utilisé dans la fabrication de semi-conducteurs et, jusqu'à présent, il répondait aux besoins énergétiques.
Mais selon le professeur Byram, « Nous voulons garantir des ressources suffisantes pour tous, car nos besoins évoluent. Actuellement, nous consommons de plus en plus de bande passante, nous créons davantage de données (ce qui implique également un stockage accru) et nous consommons plus d'énergie, d'électricité et, de manière générale, d'électricité. La question est la suivante : existe-t-il un moyen de rendre tout cela plus efficace, plutôt que de produire davantage d'énergie et de construire davantage de centrales électriques ? »
Le besoin croissant d'énergie
On estime actuellement que les centrales électriques contrôlent 50 % de la production mondiale d'électricité. Ce chiffre devrait atteindre 80 % d'ici moins de dix ans. Par ailleurs, la demande en électricité devrait augmenter de 50 % d'ici 2050.
Pour atteindre l'objectif mondial de neutralité carbone d'ici 2050, une transformation radicale des matériaux électroniques est indispensable. Ce n'est qu'alors qu'un réseau électrique plus robuste et fiable pourra être mis en place. Selon un nouveau rapport des Académies nationales des sciences, de l'ingénierie et de la médecine , le fait de ne pas prendre en compte correctement la modernisation et l'extension du réseau électrique présente les risques suivants :
- Une menace pour la réussite de la transition vers énergie durable.
- Capacité de transmission insuffisante Cela entraverait le déploiement des sources renouvelables, ce qui pourrait entraîner une augmentation temporaire des émissions de combustibles fossiles.
- Une nouvelle atteinte à la les efforts de la nation réduire ses émissions globales peut entraver la réalisation de ses objectifs de réduction des émissions.
Le professeur Can Bayram a déclaré : « Pour répondre à ces besoins en électricité et moderniser le réseau électrique, il est très important que nous abandonnions les matériaux conventionnels, comme le silicium, au profit des nouveaux matériaux que nous voyons adoptés aujourd'hui, comme le carbure de silicium et la prochaine génération de semi-conducteurs — les matériaux à bande interdite ultra-large — tels que le nitrure d'aluminium, le diamant et les composés apparentés. »
Opportunités à venir
Les chercheurs souhaitent révolutionner les semi-conducteurs avec des diamants en créant un dispositif capable de gérer des applications à haute puissance et à haute tension.
« Nous avons conçu un dispositif électronique mieux adapté aux applications haute puissance et haute tension pour le futur réseau électrique et d'autres applications énergétiques. Ce dispositif est basé sur un matériau à très large bande interdite, le diamant synthétique, qui promet une efficacité et des performances supérieures aux dispositifs actuels. Nous espérons poursuivre l'optimisation de ce dispositif et d'autres configurations afin d'exploiter pleinement le potentiel du diamant », a ajouté Zhuoran Han , doctorant et chercheur ayant participé à cette expérience.
