Även om en diamant kan vara en flickas bästa vän, kan den också vara nyckeln till att upprätthålla samhällets elektrifiering. Forskare revolutionerar halvledare med diamanter, och den här enheten har stor potential. Den har den lägsta läckströmmen och den högsta genombrottsspänningen. Denna enhet förväntas uppnå målet om koldioxidneutralitet år 2050.
Forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign har konstruerat en halvledarkomponent som använder diamant . Den uppvisar den högsta genombrottsspänningen och lägsta läckströmmen som någonsin rapporterats för diamantkomponenter. Denna utveckling banar väg för utbyggnaden av effektivare tekniker som krävs för världens övergång till förnybar energi.
Denna forskning visar den anmärkningsvärda uthålligheten hos deras diamantanordning. Den visar att den kan hantera en otroligt hög spänning på cirka 5 kV . Denna spänningsbegränsning härrör från mätuppställningen snarare än själva anordningen, vilket antyder en ännu större potential. I teorin kan deras anordning klara cirka 9 kV , vilket slår alla tidigare rekord för diamantanordningar. Den anmärkningsvärt låga läckströmmen ökar inte bara anordningens totala effektivitet utan förbättrar också dess tillförlitlighet.
Fördelar med Diamond Semiconductors
I jämförelse med konventionella halvledarmaterial som kisel, säkerställer diamant att det inte finns några kompromisser i elektrisk prestanda. Diamant är en anmärkningsvärd halvledare och diamantbaserade halvledarkomponenter har följande egenskaper:
- Hög värmeledningsförmåga
- Bra värmeledare
- Den kan fungera vid betydligt högre spänningar och strömmar
- Den använder mindre material samtidigt som den effektivt avleder värme
- Den har en exceptionell minskning av läckström.
Can Bayram , professor i elektroteknik och datateknik som leder forskningen , sa: ”För att ha ett elnät där man behöver hög ström och hög spänning, vilket gör allt mer effektivt för tillämpningar som solpaneler och vindkraftverk, behöver vi en teknik som inte har någon termisk gräns. Det är där diamant kommer in i bilden.”
Diamanter är i huvudsak gjorda av kol, en riklig resurs. Det är möjligt att syntetisera artificiella diamanter på veckor istället för miljarder år. Dessutom producerar denna process betydligt färre koldioxidutsläpp – cirka 100 gånger mindre . Genom att revolutionera halvledare med diamanter kan forskare minska utsläppen i båda ändar.
Framsteg inom halvledare
Kisel används vanligtvis vid tillverkning av halvledare, och de har hittills uppfyllt energikraven.
Men enligt professor Byram vill vi ”se till att vi har tillräckligt med resurser för alla, samtidigt som våra behov förändras. Just nu använder vi mer och mer bandbredd, vi skapar mer data (som också kommer med mer lagring), och vi använder mer kraft, mer elektricitet och mer energi i allmänhet. Frågan är: finns det ett sätt att göra allt detta mer effektivt, snarare än att generera mer energi och bygga fler kraftverk?”
Det växande behovet av makt
För närvarande uppskattas kraftenheter kontrollera 50 % av världens elektricitet. Det förväntas att denna siffra kommer att stiga till 80 % på mindre än 10 år. Dessutom förväntas efterfrågan på el öka med 50 % till 2050.
För att uppnå det globala målet om koldioxidneutralitet år 2050 är ett radikalt skifte inom elektroniska material avgörande. Först då kan ett mer robust och tillförlitligt elnät etableras. Enligt en ny rapport från National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine utgör de potentiella effekterna av att inte ordentligt ta itu med moderniseringen och utbyggnaden av elnätet följande hot:
- Ett hot mot den framgångsrika övergången till hållbar energi.
- Otillräcklig överföringskapacitet skulle hindra utbyggnaden av förnybara källor, vilket potentiellt skulle leda till en tillfällig ökning av utsläppen av fossila bränslen.
- Ytterligare undergrävning nationens ansträngningar Att minska sina totala utsläpp kan hindra uppnåendet av dess utsläppsminskningsmål.
Professor Can Bayram sa: ”För att möta dessa elbehov och modernisera elnätet är det mycket viktigt att vi går bort från konventionella material, som kisel, till de nya material som vi ser tas i bruk idag, som kiselkarbid och nästa generations halvledare – material med ultrabrett bandgap – såsom aluminiumnitrid, diamant och relaterade föreningar.”
Kommande möjligheter
Forskare siktar på att revolutionera halvledare med diamanter genom att skapa en anordning som kan hantera höga effekt- och spänningstillämpningar.
”Vi byggde en elektronisk anordning som är bättre lämpad för högspänningsapplikationer för framtidens elnät och andra kraftapplikationer. Och vi byggde den här enheten på ett material med ultrabrett bandgap, syntetisk diamant, vilket lovar bättre effektivitet och prestanda än nuvarande generationens enheter. Förhoppningsvis kommer vi att fortsätta optimera den här enheten och andra konfigurationer så att vi kan närma oss prestandagränserna för diamantens materialpotential”, tillade Zhuoran Han , doktoranden och forskaren i detta experiment.
Källa : Nästa generations halvledare: Diamond Device visar högsta genombrottsspänning
