Щоб досягти світової мети щодо вуглецевої нейтральності до 2050 року, необхідно фундаментально змінити електронні матеріали, щоб створити надійнішу та стійкішу електромережу. Діамант може бути найкращим другом дівчини, але він також може бути рішенням, необхідним для підтримки електрифікації суспільства, необхідної для досягнення вуглецевої нейтральності в наступні 30 років. Дослідники з Університету Іллінойсу Урбана-Шампейн розробили напівпровідниковий пристрій, виготовлений з використанням алмазу, який має найвищу напругу пробою та найменший струм витоку порівняно з алмазними пристроями, про які повідомлялося раніше. Такий пристрій забезпечить більш ефективні технології, необхідні під час переходу світу на відновлювані джерела енергії.
За оцінками, наразі 50% світової електроенергії контролюється енергетичними пристроями, і очікується, що менш ніж за десять років це число зросте до 80%, в той час як попит на електроенергію зросте на 50% до 2050.
Згідно з новим звітомвід Національної академії наук, інженерії та медицини: «Мабуть, найбільшою технологічною небезпекою для успішного енергетичного переходу є ризик того, що нація не зможе розмістити, модернізувати та побудувати електричну мережу. Без збільшення пропускної спроможності розгортання відновлюваних джерел енергії буде відкладено, а чистим результатом може стати принаймні тимчасове збільшення викидів викопного палива, що завадить нації досягти своїх цілей щодо скорочення викидів».
«Щоб досягти цієї електроенергії. вимоги та модернізацію електричної мережі, дуже важливо, щоб ми відійшли від звичайних матеріалів, таких як кремній, до нових матеріалів, які ми бачимо, що застосовуються сьогодні, таких як карбід кремнію та наступного покоління напівпровідників — матеріалів із надширокою забороненою зоною — таких як нітрид алюмінію, алмаз і споріднені сполуки», — каже професор електротехніки та комп’ютерної інженерії Джан Байрам, який керував цим дослідженням, разом із аспірантом Джуораном Ханом. Результати цієї роботи було опубліковано в журналі IEEE Electron Device Letters.
Beyond silicon
Більшість напівпровідників побудовано з використанням кремнію, і наразі вони задовольняють потреби суспільства в електриці. Але, як зазначає Байрам, «ми хочемо переконатися, що у нас достатньо ресурсів для всіх, у той час як наші потреби розвиваються. Зараз ми використовуємо все більшу пропускну здатність, ми створюємо більше даних (що також забезпечується більшим обсягом пам’яті), і ми використовуємо більше енергії, більше електроенергії та більше енергії загалом. Питання: чи є спосіб зробити все це більш ефективним, а не виробляти більше енергії та будувати більше електростанцій?»
Чому алмаз?
Алмаз — це надширокозонний напівпровідник із найвищою теплопровідністю, тобто здатністю матеріалу передавати тепло. Завдяки цим властивостям алмазні напівпровідникові пристрої можуть працювати при набагато вищих напругах і струмах (з меншою кількістю матеріалу) і все одно розсіюватимуть тепло, не спричиняючи зниження електричних характеристик, порівняно з традиційними напівпровідниковими матеріалами, такими як кремній. «Щоб мати електричну мережу, у якій потрібні високий струм і висока напруга, що робить усе більш ефективним для таких застосувань, як сонячні батареї та вітряні турбіни, тоді нам потрібна технологія, яка не має теплових обмежень. Ось тут і з’являється діамант», — каже Байрам.
Незважаючи на те, що багато людей асоціюють алмаз із дорогими ювелірними виробами, алмаз можна зробити більш доступним і екологічним у лабораторії, що робить його життєздатною та важливою альтернативою напівпровіднику. Природний алмаз утворюється глибоко під поверхнею Землі під величезним тиском і теплом, але оскільки він, по суті, складається лише з вуглецю, якого є у великій кількості, штучно синтезований алмаз можна виготовити за кілька тижнів, а не за мільярди років, а також виробити в 100 разів менше викиди вуглецю.
У цій роботі Байрам і Хан показують, що їхній алмазний пристрій може витримувати високу напругу, приблизно 5 кВ, хоча напруга була обмежена налаштуваннями вимірювання, а не самим пристроєм. Теоретично пристрій може витримувати до 9 кВ. Це найвища напруга, зареєстрована для алмазного пристрою. Окрім найвищої напруги пробою, пристрій також демонструє найнижчий струм витоку, що можна уявити як течучий кран, але з енергією. Струм витоку впливає на загальну ефективність і надійність пристрою.
Ган каже: «Ми створили електронний пристрій, який краще підходить для високої потужності, високої напруги для майбутньої електричної мережі та інших енергетичних застосувань. І ми створили цей пристрій на основі надширокозонного матеріалу, синтетичного алмазу, який обіцяє кращу ефективність і продуктивність, ніж пристрої поточного покоління. Сподіваюся, ми продовжимо оптимізувати цей пристрій та інші конфігурації, щоб ми могли наблизитися до обмежень продуктивності матеріального потенціалу діаманта».
Источник: electronicproducts.com
