Chociaż diament może być najlepszym przyjacielem dziewczyny, może również stanowić klucz do podtrzymania elektryfikacji społeczeństwa. Naukowcy rewolucjonizują półprzewodniki za pomocą diamentów, a to urządzenie ma ogromny potencjał. Ma najniższy prąd upływu i najwyższe napięcie przebicia. Oczekuje się, że to urządzenie osiągnie cel neutralności węglowej do 2050 r.
Naukowcy z Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign opracowali urządzenie półprzewodnikowe wykorzystujące diament . Charakteryzuje się ono najwyższym napięciem przebicia i najniższym prądem upływu, jakie kiedykolwiek odnotowano dla urządzeń diamentowych. To odkrycie otwiera drogę do wdrożenia bardziej wydajnych technologii niezbędnych do przejścia świata na energię odnawialną.
Badania te dowodzą niezwykłej wytrzymałości ich urządzenia diamentowego. Wykazują one, że jest ono w stanie wytrzymać zdumiewająco wysokie napięcie, wynoszące około 5 kV . To ograniczenie napięcia wynika z konfiguracji pomiarowej, a nie z samego urządzenia, co sugeruje jeszcze większy potencjał. Teoretycznie ich urządzenie może wytrzymać napięcie około 9 kV , bijąc wszelkie dotychczasowe rekordy w dziedzinie urządzeń diamentowych. Niezwykle niski prąd upływu nie tylko zwiększa ogólną wydajność urządzenia, ale także poprawia jego niezawodność.
Zalety półprzewodników diamentowych
W porównaniu z konwencjonalnymi materiałami półprzewodnikowymi, takimi jak krzem, diament zapewnia niezrównany poziom parametrów elektrycznych. Diament jest wyjątkowym półprzewodnikiem, a diamentowe urządzenia półprzewodnikowe charakteryzują się następującymi cechami:
- Wysoka przewodność cieplna
- Dobry przewodnik ciepła
- Może działać przy znacznie wyższych napięciach i prądach
- Wykorzystuje mniej materiału, jednocześnie skutecznie odprowadzając ciepło
- Charakteryzuje się wyjątkową redukcją prądu upływu.
Can Bayram , profesor elektrotechniki i informatyki, który kieruje badaniami , powiedział: „Aby stworzyć sieć elektroenergetyczną, w której wymagany jest wysoki prąd i wysokie napięcie, co zwiększa wydajność w zastosowaniach takich jak panele słoneczne i turbiny wiatrowe, potrzebujemy technologii, która nie ma ograniczeń termicznych. Właśnie tu pojawia się diament”.
Diamenty składają się zasadniczo z węgla, surowca powszechnie występującego. Synteza sztucznych diamentów jest realna w ciągu tygodni, a nie miliardów lat. Co więcej, proces ten generuje znacznie mniej emisji dwutlenku węgla – około 100 razy mniej . Zatem, rewolucjonizując półprzewodniki za pomocą diamentów, naukowcy mogą zmniejszyć emisję po obu stronach.
Postęp w półprzewodnikach
Krzem jest powszechnie używany w produkcji półprzewodników i do tej pory zaspokajał on zapotrzebowanie na energię.
Jednak według prof. Byrama: „Chcemy mieć pewność, że mamy wystarczająco dużo zasobów dla wszystkich, podczas gdy nasze potrzeby ewoluują. Obecnie wykorzystujemy coraz więcej przepustowości, generujemy więcej danych (co wiąże się również z większą ilością pamięci masowej) i zużywamy więcej energii elektrycznej, więcej prądu i ogólnie więcej energii. Pytanie brzmi: czy istnieje sposób, aby to wszystko zwiększyć, zamiast generować więcej energii i budować kolejne elektrownie?”
Rosnąca potrzeba mocy
Szacuje się, że obecnie urządzenia energetyczne kontrolują 50% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną. Przewiduje się, że w ciągu niecałych 10 lat odsetek ten wzrośnie do 80% . Przewiduje się również, że do 2050 roku zapotrzebowanie na energię elektryczną wzrośnie o 50%.
Aby osiągnąć globalny cel neutralności węglowej do 2050 roku, niezbędna jest radykalna zmiana w zakresie materiałów elektronicznych. Dopiero wtedy powstanie bardziej solidna i niezawodna sieć elektroenergetyczna. Według nowego raportu Narodowej Akademii Nauk, Inżynierii i Medycyny , potencjalne skutki nieodpowiedniego podejścia do modernizacji i rozbudowy sieci elektroenergetycznej stwarzają następujące zagrożenia:
- Zagrożenie dla pomyślnej transformacji w kierunku zrównoważona energia.
- Niewystarczająca przepustowość transmisji utrudniłoby wykorzystanie odnawialnych źródeł energii, co mogłoby potencjalnie doprowadzić do tymczasowego wzrostu emisji paliw kopalnych.
- Dalsze podważanie wysiłki narodu zmniejszenie całkowitych emisji może utrudniać osiągnięcie celów w zakresie redukcji emisji.
Profesor Can Bayram powiedział: „Aby sprostać zapotrzebowaniu na energię elektryczną i zmodernizować sieć energetyczną, niezwykle ważne jest odejście od konwencjonalnych materiałów, takich jak krzem, na rzecz nowych materiałów, których stosowanie obserwujemy już dziś, takich jak węglik krzemu i kolejna generacja półprzewodników — materiałów o bardzo szerokiej przerwie energetycznej — takich jak azotek glinu, diament i pokrewne związki”.
Nadchodzące możliwości
Naukowcy zamierzają zrewolucjonizować półprzewodniki za pomocą diamentów, tworząc urządzenie zdolne do obsługi zastosowań o dużej mocy i napięciu.
„Zbudowaliśmy urządzenie elektroniczne lepiej dostosowane do zastosowań o dużej mocy i wysokim napięciu w przyszłych sieciach elektroenergetycznych i innych zastosowaniach energetycznych. Zbudowaliśmy to urządzenie na materiale o ultraszerokiej przerwie energetycznej, diamencie syntetycznym, który obiecuje lepszą wydajność i lepsze osiągi niż urządzenia obecnej generacji. Mamy nadzieję, że będziemy kontynuować optymalizację tego urządzenia i innych konfiguracji, aby zbliżyć się do granic możliwości diamentu” – dodał Zhuoran Han , doktorant i badacz biorący udział w tym eksperymencie.
Źródło : Półprzewodniki nowej generacji: Urządzenie diamentowe wykazuje najwyższe napięcie przebicia
