Хотя алмаз может быть лучшим другом девушки, он также может стать ключом к поддержанию электрификации общества. Исследователи революционизируют полупроводники с помощью алмазов, и это устройство имеет большой потенциал. Оно имеет самый низкий ток утечки и самое высокое напряжение пробоя. Ожидается, что это устройство достигнет цели углеродной нейтральности к 2050 году.
Исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн разработали полупроводниковое устройство с использованием алмаза . Оно демонстрирует самое высокое напряжение пробоя и самый низкий ток утечки, когда-либо зарегистрированные для алмазных устройств. Это достижение открывает путь к внедрению более эффективных технологий, необходимых для перехода мира к возобновляемым источникам энергии.
Данное исследование демонстрирует замечательную выносливость их алмазного устройства. Оно показывает, что оно способно выдерживать удивительно высокое напряжение, приблизительно 5 кВ . Это ограничение по напряжению обусловлено скорее измерительной установкой, чем самим устройством, что указывает на еще больший потенциал. Теоретически, их устройство может выдерживать около 9 кВ , побив все предыдущие рекорды алмазных устройств. Замечательно низкий ток утечки не только повышает общую эффективность устройства, но и улучшает его надежность.
Преимущества алмазных полупроводников
В отличие от традиционных полупроводниковых материалов, таких как кремний, алмаз гарантирует отсутствие компромиссов в электрических характеристиках. Алмаз — это замечательный полупроводник, и полупроводниковые устройства на основе алмаза обладают следующими характеристиками:
- Высокая теплопроводность
- Хороший проводник тепла
- Может работать при значительно более высоких напряжениях и токах.
- Он использует меньше материала, эффективно рассеивая тепло.
- Он обеспечивает исключительное снижение тока утечки.
Джан Байрам , профессор электротехники и вычислительной техники , возглавляющий исследование , сказал: «Чтобы создать электросеть, где необходимы высокие токи и высокое напряжение, что делает все более эффективным для таких применений, как солнечные панели и ветряные турбины, нам нужна технология, не имеющая тепловых ограничений. Вот тут-то и пригодится алмаз».
Алмазы по сути состоят из углерода, обильного ресурса. Синтез искусственных алмазов становится возможным за несколько недель, а не за миллиарды лет. Кроме того, этот процесс приводит к значительному сокращению выбросов углерода — примерно в 100 раз меньше . Таким образом, совершив революцию в полупроводниковой промышленности с помощью алмазов, исследователи могут сократить выбросы как на этапе производства, так и на этапе производства.
Достижения в области полупроводников
Обычно кремний используется в производстве полупроводников, и до сих пор он удовлетворял потребности в энергии.
Но, по словам профессора Байрама, «мы хотим убедиться, что у нас достаточно ресурсов для всех, в то время как наши потребности меняются. Сейчас мы используем все больше и больше пропускной способности, создаем все больше данных (что также влечет за собой увеличение объема хранения), и потребляем больше электроэнергии и энергии в целом. Вопрос в том: есть ли способ сделать все это более эффективным, вместо того чтобы производить больше энергии и строить больше электростанций?»
Растущая потребность во власти
В настоящее время, по оценкам, на энергетические устройства приходится 50% мирового производства электроэнергии. Прогнозируется, что эта цифра вырастет до 80% менее чем за 10 лет. Кроме того, ожидается, что спрос на электроэнергию увеличится на 50% к 2050 году.
Для достижения глобальной цели углеродной нейтральности к 2050 году необходимы радикальные изменения в электронных материалах. Только тогда будет создана более надежная и стабильная электроэнергетическая сеть. Согласно новому докладу Национальных академий наук, инженерии и медицины , ненадлежащее решение вопросов модернизации и расширения электроэнергетической сети представляет следующие угрозы:
- Угроза успешному переходу к устойчивая энергетика.
- Недостаточная пропускная способность будет препятствовать использованию возобновляемых источников энергии, что может привести к временному росту выбросов ископаемого топлива.
- Дальнейший подрыв усилия нации снижение общего объема выбросов может помешать достижению целевых показателей по сокращению выбросов.
Профессор Джан Байрам сказал: «Чтобы удовлетворить эти потребности в электроэнергии и модернизировать электросеть, очень важно отказаться от традиционных материалов, таких как кремний, в пользу новых материалов, которые мы видим сегодня на практике, таких как карбид кремния и полупроводники следующего поколения — материалы со сверхширокой запрещенной зоной, такие как нитрид алюминия, алмаз и родственные соединения».
Предстоящие возможности
Исследователи намерены произвести революцию в области полупроводников с использованием алмазов, создав устройство, способное работать в условиях высокой мощности и напряжения.
«Мы создали электронное устройство, лучше подходящее для мощных и высоковольтных применений в будущих электросетях и других энергетических системах. Мы построили это устройство на основе сверхширокозонного материала — синтетического алмаза, который обещает более высокую эффективность и производительность по сравнению с устройствами текущего поколения. Надеемся, мы продолжим оптимизировать это устройство и другие конфигурации, чтобы приблизиться к пределам производительности, которые может обеспечить алмазный материал», — добавил Чжуоран Хань , аспирант и исследователь, участвовавший в этом эксперименте.
Источник : Next Generation Semiconductors: Diamond Device Shows Highest Probounce Voltage
