درخشش الماس: دگرگونی دنیای فناوری نیمه هادی -محققان یک دستگاه نیمه هادی ساخته شده از الماس را توسعه داده اند که راه حلی امیدوارکننده برای دستیابی به خنثی بودن کربن تا سال 2050 ارائه می دهد.
این دستگاه دارای بالاترین ولتاژ شکست و کمترین جریان نشتی در مقایسه با دستگاه های الماس موجود است که نشان دهنده پیشرفت قابل توجهی در فرآیند برق رسانی است.
برای رسیدن به هدف جهانی در مورد بی طرفی کربن تا سال 2050، باید یک تغییر اساسی در مواد الکترونیکی ایجاد شود تا یک شبکه برق قابل اعتمادتر و انعطاف پذیرتر ایجاد شود.
الماس ممکن است بهترین دوست یک دختر باشد، اما همچنین ممکن است راه حلی باشد که برای حفظ برق جامعه مورد نیاز برای رسیدن به بی طرفی کربن در 30 سال آینده لازم است.
محققان دانشگاه ایلینوی Urbana-Champaign یک دستگاه نیمه رسانا ساخته شده با الماس ساخته اند که بالاترین ولتاژ شکست و کمترین جریان نشتی را در مقایسه با دستگاه های الماس گزارش شده قبلی دارد.
چنین وسیله‌ای فناوری‌های کارآمدتری را که در حال گذار جهان به انرژی‌های تجدیدپذیر مورد نیاز است، فعال می‌کند.
افزایش تقاضا برای برق
تخمین زده می شود که در حال حاضر 50 درصد از برق جهان توسط دستگاه های برق کنترل می شود و در کمتر از یک دهه پیش بینی می شود که این رقم به 80 درصد افزایش یابد، در حالی که همزمان تقاضا برای برق 50 درصد افزایش می یابد. 2050.
طبق گزارش جدید آکادمی ملی علوم، مهندسی و پزشکی، «شاید بزرگ‌ترین خطر فناوری برای انتقال موفق انرژی، این خطر باشد که کشور در مکان‌یابی، مدرن‌سازی و ساخت شبکه برق ناکام باشد.
بدون افزایش ظرفیت انتقال، استقرار انرژی‌های تجدیدپذیر به تأخیر می‌افتد و نتیجه خالص می‌تواند حداقل افزایش موقتی در انتشار سوخت‌های فسیلی باشد که از دستیابی کشور به اهداف کاهش انتشار جلوگیری می‌کند.»
برای پاسخگویی به این نیازهای برق و مدرن کردن شبکه برق، بسیار مهم است که از مواد معمولی مانند سیلیکون فاصله بگیریم و به مواد جدیدی که امروزه شاهد استفاده از آنها هستیم مانند کاربید سیلیکون و نسل بعدی نیمه هادی ها – فوق عریض ، حرکت کنیم.
کان بایرام ، استاد مهندسی برق و کامپیوتر ، که همراه با دانشجوی فارغ التحصیل، ژوران هان، رهبری این تحقیق را بر عهده داشت ، می‌گوید: مواد شکاف باند – مانند نیترید آلومینیوم، الماس و ترکیبات مرتبط .
نتایج این کار در مجله IEEE Electron System Letters منتشر شد.
نیمه هادی ها: فراتر از سیلیکون
اکثر نیمه هادی ها با استفاده از سیلیکون ساخته می شوند و تاکنون نیازهای الکتریکی جامعه را برآورده کرده اند.
اما همانطور که بایرام اشاره می کند، “ما می خواهیم مطمئن شویم که منابع کافی برای همه داریم، در حالی که نیازهای ما در حال تکامل است.
در حال حاضر، ما از پهنای باند بیشتر و بیشتری استفاده می‌کنیم، داده‌های بیشتری ایجاد می‌کنیم (که همچنین با فضای ذخیره‌سازی بیشتری همراه است)، و از قدرت، برق بیشتر و به طور کلی انرژی بیشتری استفاده می‌کنیم.
سوال این است: آیا راهی وجود دارد که بتوانیم همه اینها را کارآمدتر کنیم، نه اینکه انرژی بیشتری تولید کنیم و نیروگاه های بیشتری بسازیم؟
برتری نیمه هادی های الماس
الماس یک نیمه هادی با شکاف فوق عریض با بالاترین رسانایی حرارتی است که توانایی یک ماده برای انتقال گرما است.
با توجه به این ویژگی ها، دستگاه های نیمه هادی الماسی می توانند در ولتاژها و جریان های بسیار بالاتر (با مواد کمتر) کار کنند و در مقایسه با مواد نیمه هادی سنتی مانند سیلیکون، همچنان گرما را بدون کاهش عملکرد الکتریکی دفع می کنند.
برای داشتن یک شبکه برق که در آن به جریان بالا و ولتاژ بالا نیاز دارید، که همه چیز را برای کاربردهایی مانند پنل های خورشیدی و توربین های بادی کارآمدتر می کند، پس ما به فناوری نیاز داریم که محدودیت حرارتی نداشته باشد.
این جایی است که الماس وارد می شود.» بایرام می گوید.
اگرچه بسیاری از مردم الماس را با جواهرات گران قیمت مرتبط می‌دانند، اما می‌توان الماس را با قیمتی مقرون به صرفه‌تر و پایدارتر در آزمایشگاه ساخت و آن را به یک جایگزین نیمه‌رسانای مهم و بادوام تبدیل می‌کند.
الماس طبیعی در اعماق سطح زمین و تحت فشار و گرمای بسیار زیاد تشکیل می شود، اما از آنجایی که اساساً فقط کربن است – که به وفور از آن وجود دارد – الماس سنتز شده مصنوعی را می توان در هفته ها به جای میلیاردها سال ساخت، در حالی که 100 برابر کمتر تولید می کند. انتشار کربن.
در این کار، بایرام و هان نشان می‌دهند که دستگاه الماس آنها می‌تواند ولتاژ بالا، تقریباً 5 کیلو ولت را حفظ کند، اگرچه ولتاژ با تنظیم اندازه‌گیری محدود شده بود و نه از خود دستگاه.
در تئوری، دستگاه می تواند تا 9 کیلو ولت را تحمل کند. این بالاترین ولتاژ گزارش شده برای یک دستگاه الماس است.
این دستگاه علاوه بر بالاترین ولتاژ شکست، کمترین جریان نشتی را نیز نشان می‌دهد که می‌توان آن را مانند یک شیر آب نشتی اما با انرژی در نظر گرفت.
جریان نشتی بر راندمان و قابلیت اطمینان کلی دستگاه تأثیر می گذارد.
چشم انداز آینده
هان می‌گوید: «ما یک دستگاه الکترونیکی ساختیم که برای کاربردهای توان بالا، ولتاژ بالا برای شبکه برق آینده و سایر کاربردهای برق مناسب‌تر است.
و ما این دستگاه را بر روی یک ماده باند گپ فوق العاده وسیع، الماس مصنوعی ساخته ایم که نوید کارایی بهتر و عملکرد بهتر را نسبت به دستگاه های نسل فعلی می دهد.
امیدواریم به بهینه سازی این دستگاه و سایر تنظیمات ادامه دهیم تا بتوانیم به محدودیت های عملکرد پتانسیل مواد الماس نزدیک شویم.
