Hoewel een diamant de beste vriend van een meisje kan zijn, zou het ook de sleutel kunnen zijn tot het in stand houden van de elektrificatie van de maatschappij. Onderzoekers revolutioneren halfgeleiders met diamanten, en dit apparaat heeft een groot potentieel. Het heeft de laagste lekstroom en de hoogste doorslagspanning. Verwacht wordt dat dit apparaat de doelstelling van koolstofneutraliteit in 2050 zal bereiken.
Onderzoekers van de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign hebben een halfgeleidercomponent ontwikkeld met behulp van diamant . Deze component vertoont de hoogste doorslagspanning en de laagste lekstroom die ooit voor diamantcomponenten zijn gemeten. Deze ontwikkeling maakt de weg vrij voor de inzet van efficiëntere technologieën die nodig zijn voor de wereldwijde overgang naar hernieuwbare energiebronnen.
Dit onderzoek toont de opmerkelijke duurzaamheid van hun diamantapparaat aan. Het blijkt dat het een verbazingwekkend hoge spanning van ongeveer 5 kV kan weerstaan . Deze spanningslimiet is te wijten aan de meetopstelling en niet aan het apparaat zelf, wat wijst op een nog groter potentieel. Theoretisch kan hun apparaat een spanning van ongeveer 9 kV aan , waarmee alle eerdere records voor diamantapparaten worden verbroken. De opmerkelijk lage lekstroom verhoogt niet alleen de algehele efficiëntie van het apparaat, maar verbetert ook de betrouwbaarheid ervan.
Voordelen van diamanthalfgeleiders
In vergelijking met conventionele halfgeleidermaterialen zoals silicium, garandeert diamant dat er geen concessies worden gedaan aan de elektrische prestaties. Diamant is een opmerkelijke halfgeleider en halfgeleidercomponenten op basis van diamant beschikken over de volgende eigenschappen:
- Hoog warmtegeleidingsvermogen
- Goede warmtegeleider
- Het kan functioneren bij aanzienlijk hogere spanningen en stromen
- Het gebruikt minder materiaal en voert de warmte efficiënt af
- Het heeft een uitzonderlijke reductie in lekstroom.
Can Bayram , hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen en leider van het onderzoek , zei: "Om een elektriciteitsnet te hebben waar hoge stroomsterkte en hoge spanning nodig zijn, wat alles efficiënter maakt voor toepassingen zoals zonnepanelen en windturbines, hebben we een technologie nodig die geen thermische limiet kent. Dat is waar diamant om de hoek komt kijken."
Diamanten bestaan in essentie uit koolstof, een overvloedige grondstof. Het is haalbaar om kunstmatige diamanten in weken te synthetiseren in plaats van in miljarden jaren. Bovendien produceert dit proces aanzienlijk minder koolstofemissies – ongeveer 100 keer minder . Door halfgeleiders te revolutioneren met diamanten kunnen onderzoekers dus aan beide kanten de uitstoot verminderen.
Vooruitgang in halfgeleiders
Silicium wordt veel gebruikt bij de productie van halfgeleiders en voldoet tot nu toe aan de energievereisten.
Maar volgens professor Byram: "We willen ervoor zorgen dat we voldoende middelen hebben voor iedereen, terwijl onze behoeften veranderen. Op dit moment gebruiken we steeds meer bandbreedte, genereren we steeds meer data (wat ook meer opslagruimte vereist) en verbruiken we meer stroom, meer elektriciteit en meer energie in het algemeen. De vraag is: kunnen we dit alles efficiënter maken, in plaats van meer energie op te wekken en meer energiecentrales te bouwen?"
De toenemende behoefte aan energie
Momenteel wordt geschat dat energieopwekkingsapparaten 50% van de wereldwijde elektriciteitsproductie regelen. Naar verwachting zal dit percentage binnen minder dan 10 jaar stijgen tot 80% . Ook de vraag naar elektriciteit zal naar verwachting met 50% toenemen tegen 2050.
Om de wereldwijde doelstelling van koolstofneutraliteit in 2050 te bereiken, is een radicale verandering in elektronische materialen essentieel. Alleen dan kan een robuuster en betrouwbaarder elektriciteitsnet worden opgebouwd. Volgens een nieuw rapport van de National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine brengt het niet adequaat aanpakken van de modernisering en uitbreiding van het elektriciteitsnet de volgende potentiële bedreigingen met zich mee:
- Een bedreiging voor de succesvolle overgang naar duurzame energie.
- Onvoldoende transmissiecapaciteit zou de inzet van hernieuwbare energiebronnen belemmeren, wat mogelijk tot een tijdelijke toename van de uitstoot van fossiele brandstoffen zou leiden.
- Verdere ondermijning de inspanningen van de natie Het verminderen van de totale uitstoot kan het behalen van de emissiereductiedoelstellingen in de weg staan.
Professor Can Bayram zei: "Om aan die elektriciteitsvraag te voldoen en het elektriciteitsnet te moderniseren, is het van groot belang dat we afstappen van conventionele materialen zoals silicium en overstappen op de nieuwe materialen die we tegenwoordig zien worden toegepast, zoals siliciumcarbide en de volgende generatie halfgeleiders – materialen met een ultrabrede bandgap – zoals aluminiumnitride, diamant en verwante verbindingen."
Aankomende kansen
Onderzoekers willen met diamanten een revolutie teweegbrengen in de halfgeleiderindustrie door een apparaat te maken dat hoge vermogens- en spanningstoepassingen aankan.
"We hebben een elektronisch apparaat ontwikkeld dat beter geschikt is voor toepassingen met hoog vermogen en hoge spanning voor het toekomstige elektriciteitsnet en andere energie-toepassingen. We hebben dit apparaat gebouwd met een materiaal met een ultrabrede bandgap, synthetisch diamant, wat een hogere efficiëntie en betere prestaties belooft dan de huidige generatie apparaten. Hopelijk kunnen we dit apparaat en andere configuraties blijven optimaliseren, zodat we de prestatielimieten van het materiaalpotentieel van diamant kunnen benaderen," voegde Zhuoran Han , de promovendus en onderzoeker in dit experiment, eraan toe.
Bron : Next Generation Semiconductors: Diamond Device Shows Highest Breakdown Voltage
