Sebbene un diamante possa essere il migliore amico di una ragazza, potrebbe anche contenere la chiave per sostenere l'elettrificazione della società. I ricercatori stanno rivoluzionando i semiconduttori con i diamanti e questo dispositivo ha un grande potenziale. Ha la più bassa corrente di dispersione e la più alta tensione di rottura. Si prevede che questo dispositivo raggiungerà l'obiettivo della neutralità carbonica entro il 2050.
I ricercatori dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign hanno realizzato un dispositivo a semiconduttore che utilizza il diamante . Questo dispositivo presenta la più alta tensione di rottura e la più bassa corrente di dispersione mai registrate per dispositivi al diamante. Tale sviluppo apre la strada alla diffusione di tecnologie più efficienti, necessarie per la transizione globale verso le energie rinnovabili.
Questa ricerca mette in luce la straordinaria resistenza del loro dispositivo al diamante. Dimostra che è in grado di gestire una tensione incredibilmente elevata di circa 5 kV . Questa limitazione di tensione deriva dalla configurazione di misurazione piuttosto che dal dispositivo stesso, suggerendo un potenziale ancora maggiore. In teoria, il loro dispositivo può sopportare circa 9 kV , battendo tutti i precedenti record dei dispositivi al diamante. La corrente di dispersione straordinariamente bassa non solo aumenta l'efficienza complessiva del dispositivo, ma ne migliora anche l'affidabilità.
Vantaggi dei semiconduttori di diamante
Rispetto ai materiali semiconduttori convenzionali come il silicio, il diamante garantisce prestazioni elettriche inalterate. Il diamante è un semiconduttore straordinario e i dispositivi a semiconduttore di diamante presentano le seguenti caratteristiche:
- Alta conducibilità termica
- Buon conduttore di calore
- Può funzionare a tensioni e correnti significativamente più elevate
- Utilizza meno materiale dissipando efficacemente il calore
- Presenta un'eccezionale riduzione della corrente di dispersione.
Can Bayram , professore di ingegneria elettrica e informatica a capo della ricerca , ha affermato: "Per avere una rete elettrica in cui sono necessarie correnti e tensioni elevate, che rendono tutto più efficiente per applicazioni come pannelli solari e turbine eoliche, abbiamo bisogno di una tecnologia che non abbia limiti termici. Ed è qui che entra in gioco il diamante."
I diamanti sono essenzialmente composti da carbonio, una risorsa abbondante. È possibile sintetizzare diamanti artificiali in poche settimane anziché in miliardi di anni. Inoltre, questo processo produce emissioni di carbonio significativamente inferiori, circa 100 volte meno . Pertanto, rivoluzionando i semiconduttori con i diamanti, i ricercatori possono ridurre le emissioni da entrambi i lati.
Progressi nei semiconduttori
Il silicio viene comunemente utilizzato nella produzione di semiconduttori e finora ha soddisfatto i requisiti energetici.
Secondo il professor Byram, "Vogliamo assicurarci di avere risorse sufficienti per tutti, mentre le nostre esigenze si evolvono. Attualmente, utilizziamo sempre più larghezza di banda, creiamo più dati (il che comporta anche una maggiore capacità di archiviazione) e consumiamo più energia, più elettricità e più energia in generale. La domanda è: esiste un modo per rendere tutto questo più efficiente, invece di generare più energia e costruire più centrali elettriche?"
Il crescente bisogno di potere
Attualmente, si stima che i dispositivi di generazione di energia controllino il 50% dell'elettricità mondiale. Si prevede che questa percentuale salirà all'80% in meno di 10 anni. Inoltre, si prevede che la domanda di elettricità aumenterà del 50% entro il 2050.
Per raggiungere l'obiettivo globale della neutralità carbonica entro il 2050, è essenziale un cambiamento radicale nei materiali elettronici. Solo allora si potrà realizzare una rete elettrica più robusta e affidabile. Secondo un nuovo rapporto delle Accademie Nazionali delle Scienze, dell'Ingegneria e della Medicina , il potenziale impatto di una mancata modernizzazione ed espansione della rete elettrica comporta le seguenti minacce:
- Una minaccia per la transizione di successo verso energia sostenibile.
- Capacità di trasmissione inadeguata ostacolerebbe l'impiego di fonti rinnovabili, determinando potenzialmente un aumento temporaneo delle emissioni di combustibili fossili.
- Ulteriore indebolimento gli sforzi della nazione ridurre le emissioni complessive può ostacolare il raggiungimento degli obiettivi di riduzione delle emissioni.
Il professor Can Bayram ha affermato: "Per soddisfare la domanda di elettricità e modernizzare la rete elettrica, è fondamentale abbandonare i materiali convenzionali, come il silicio, a favore dei nuovi materiali che stiamo vedendo adottati oggi, come il carburo di silicio e la prossima generazione di semiconduttori, ovvero i materiali a banda proibita ultra-ampia, come il nitruro di alluminio, il diamante e i composti correlati".
Prossime opportunità
L'obiettivo dei ricercatori è quello di rivoluzionare i semiconduttori utilizzando i diamanti, realizzando un dispositivo in grado di gestire applicazioni ad alta potenza e tensione.
"Abbiamo realizzato un dispositivo elettronico più adatto ad applicazioni ad alta potenza e alta tensione per la futura rete elettrica e altre applicazioni energetiche. E abbiamo costruito questo dispositivo su un materiale a banda proibita ultra-ampia, il diamante sintetico, che promette una maggiore efficienza e prestazioni superiori rispetto ai dispositivi di generazione attuale. Speriamo di continuare a ottimizzare questo dispositivo e altre configurazioni in modo da poter raggiungere i limiti prestazionali del potenziale del diamante", ha aggiunto Zhuoran Han , lo studente di dottorato e ricercatore coinvolto in questo esperimento.
