虽然钻石可能是女孩最好的朋友，但它也可能是维持社会电气化的关键。研究人员正在用钻石革新半导体，这种设备具有巨大的潜力。它具有最低的漏电流和最高的击穿电压。预计到 2050 年，该设备将实现碳中和的目标。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员利用金刚石材料研制出一种半导体器件。该器件展现出迄今为止金刚石器件中最高的击穿电压和最低的漏电流。这项成果为部署更高效的技术铺平了道路，而这些技术对于世界向可再生能源转型至关重要。
这项研究展现了他们研制的金刚石器件卓越的耐久性。研究表明，该器件能够承受高达约5 kV的惊人电压。这一电压限制并非源于器件本身，而是测量装置的局限性，这暗示着该器件拥有更大的潜力。理论上，他们的器件可以承受约9 kV的电压，打破了以往所有金刚石器件的记录。极低的漏电流不仅提高了器件的整体效率，也增强了其可靠性。
金刚石半导体的优势
与硅等传统半导体材料相比，金刚石能够确保器件在电性能方面毫不妥协。金刚石是一种卓越的半导体材料，金刚石半导体器件具有以下特点：
- 高导热性
- 良好的热导体
- 它可以在更高的电压和电流下工作
- 它使用更少的材料，同时高效散热
- 它具有极好的减少漏电流的效果。
领导这项研究的电气与计算机工程教授坎·拜拉姆表示：“要建立一个需要高电流和高电压的电网，从而提高太阳能电池板和风力涡轮机等应用的效率，我们就需要一种没有热限制的技术。这就是钻石的用武之地。”
钻石主要成分是碳，而碳是一种储量丰富的资源。人工合成钻石只需几周时间，而非数十亿年。此外，该过程产生的碳排放量也显著减少——大约减少100倍。因此，通过利用钻石革新半导体行业，研究人员可以从源头和源头两个方面减少碳排放。
半导体的进步
硅通常用于制造半导体，迄今为止它们已经满足了能源需求。
但拜拉姆教授表示：“我们希望确保每个人都能拥有足够的资源，同时我们的需求也在不断变化。目前，我们使用的带宽越来越多，产生的数据越来越多（这也意味着需要更多的存储空间），而且我们消耗的电力、电能以及其他能源也越来越多。问题是：除了生产更多能源和建造更多发电厂之外，我们能否找到一种方法来提高所有这些效率？”
电力需求激增
目前，电力设备估计控制着全球50%的电力。预计不到10年，这一数字将上升到80% 。此外，到2050年，电力需求预计将增长50%。
为实现2050年全球碳中和目标，电子材料的根本性变革至关重要。唯有如此，才能建立更强大、更可靠的电网。美国国家科学院、工程院和医学院的一份最新报告指出，若不妥善解决电网现代化和扩建问题，可能会带来以下潜在威胁：
- 对成功过渡到 可持续能源。
- 输电能力不足 将阻碍可再生能源的部署，可能导致化石燃料排放暂时激增。
- 进一步破坏 全国人民的努力 减少总体排放量可能会阻碍其减排目标的实现。
Can Bayram 教授表示：“为了满足这些电力需求并实现电网现代化，我们必须摆脱硅等传统材料，转而采用我们今天看到的正在被采用的新材料，例如碳化硅和下一代半导体——超宽带隙材料——例如氮化铝、金刚石和相关化合物。”
即将到来的机会
研究人员的目标是通过制造一种能够处理高功率和电压应用的设备来用金刚石彻底改变半导体。
“我们研制了一种更适合未来电网和其他电力应用的高功率、高电压电子器件。这种器件采用超宽带隙材料——合成金刚石制成，有望比现有器件具有更高的效率和性能。我们希望能够继续优化这种器件和其他配置，从而接近金刚石材料性能的极限。”参与该实验的研究生兼研究员韩卓然补充道。
