Odkrycie półprzewodników o znacznie wyższej wydajności niż krzem

Bez półprzewodników po prostu nie ma numeru cyfrowego (komputery, smartfony, konsole do gier itp.). Krzem jest najczęściej używanym komercyjnie materiałem półprzewodnikowym, ze względu na jego naturalną obfitość i ekonomiczny koszt wdrożenia. Jednak jego właściwości półprzewodnikowe są dalekie od ideału i w obliczu niedoskonałości spowodowanej COVID-19Wielu szuka alternatyw. Niedawno zespół naukowców z Massachusetts Institute of Technology wykazał, że materiał znany jako „sześcienny arsen boru” wypełnia luki w krzemie i wydaje się być obecnie najlepiej znanym półprzewodnikiem. Następnym krokiem jest znalezienie praktycznych i ekonomicznych sposobów osiągnięcia tego celu.

Powinieneś wiedzieć, że Półprzewodniki Jest to substancja, która w stanie czystym nie przewodzi prądu, lecz staje się nim po pewnym przetworzeniu, domieszkowaniu. To półprzewodnictwo uzyskuje się przez wprowadzenie zanieczyszczeń, przez domieszkowanie N (dla ujemnego, bo dodajemy Elektrony) lub P (dodatni, z powodu usunięcia elektronów): Zwiększa to przewodność półprzewodnika.

Zabieg ten jest stosowany w krzemktóry jest podstawą tworzących się ogniw fotowoltaicznych Panele słoneczne. Przewodność elektryczna półprzewodników jest pośrednia między przewodnictwem metali (dobrych przewodników) a izolatorami. W komputerach kilka półprzewodników jest umieszczonych szeregowo, naprzemiennie z domieszkowaniem N i P, co umożliwia przechodzenie elektronów z jednego do drugiego. Elektrony z półprzewodnika domieszkowanego N wypełniają „dziury” pozostawione przez domieszkowanie P innych półprzewodników.

Jednak chociaż silikon jest szeroko stosowany, jego właściwości nie są idealne. Z jednej strony, chociaż umożliwia łatwe przechodzenie elektronów przez swoją strukturę, jest znacznie mniej przystosowany do dziur (P-doping), co utrudnia przechodzenie elektronów. Te dwie cechy są jednak ważne w przypadku niektórych rodzajów żetonów. Ponadto krzem nie jest zbyt skuteczny w przewodzeniu ciepła, dlatego w komputerach często występują problemy z przegrzewaniem się i drogimi systemami chłodzenia.

Niedawno zespół naukowców z Massachusetts Institute of Technology, University of Houston i innych instytucji wykazał, że sześcienny arsenek boru pokonuje każde z tych ograniczeń. Zapewnia wysoką mobilność elektronów i dziur oraz ma doskonałą przewodność cieplną. Praca została opublikowana w dwóch równoległych artykułach w czasopismach Nauki.

Wyniki potwierdzające wcześniejsze badania

Obecne badanie opiera się na wcześniejszych badaniach, w tym pracach Davida Bruido, współautora nowego artykułu badawczego. Ten ostatni teoretycznie przewidział, że sześcienny arsenek boru będzie miał wysoką przewodność cieplną, prawie 10 razy większą niż krzem. Ponadto zespół Chena w 2018 r. również postawił hipotezę, że ma on bardzo wysoką mobilność elektronów i dziur”, Co sprawia, że ​​ten materiał jest naprawdę wyjątkowy Chen wyjaśnia w A raport. Dodać : ” To ważne, bo oczywiście w półprzewodnikach mamy równoważny ładunek dodatni i ujemny. Więc jeśli budujesz urządzenie, chcesz mieć materiał, w którym elektrony i dziury przemieszczają się z mniejszym oporem ».

Właściwości elektronowe sześciennego arsenu boru zostały pierwotnie przewidziane na podstawie obliczeń kwantowej funkcji gęstości mechanicznej, przeprowadzonych przez grupę Chena. Te przewidywania zostały następnie potwierdzone przez eksperymenty w Massachusetts Institute of Technology, przy użyciu metod detekcji optycznej (mikroskopia odbicia przejściowego) na próbkach przez Zhifeng Ren i współpracowników z University of Houston.

Profesor Shen wyjaśnia: Kluczowym krokiem, który umożliwia to odkrycie, są postępy w ultraszybkich systemach macierzy laserowych MIT – pierwotnie opracowanych przez byłego doktoranta MIT, Bae Songa. Bez tej techniki nie byłoby możliwe zademonstrowanie wysokiej ruchliwości materii dla elektronów i dziur. ».

Jak wspomniano wcześniej, jedną z przeszkód dla krzemu jest jego wysoka temperatura i konieczność inwestowania w drogie systemy chłodzenia. Na przykład w elektronice samochód elektrycznykrzem jest zastąpiony węglikiem krzemu o trzykrotnie większej przewodności cieplnej. Mówiąc najprościej, potrzebuje trzy razy mniej ogrzewania, aby osiągnąć taką samą wydajność jak podstawowy silikon. Jednak w swoich eksperymentach autorzy badania potwierdzili, że przewodność cieplna jest dziesięciokrotnie wyższa dla sześciennego arsenku boru. Profesor Shen zwraca uwagę: Wyobraź sobie, co mogą osiągnąć arsenki boru z dziesięciokrotnie większą przewodnością cieplną i znacznie większą mobilnością niż krzem. Może zmienić zasady gry ».

Nowy materiał z niewykorzystanym potencjałem

Obecnie wyzwaniem jest znalezienie praktycznych sposobów wytwarzania tej substancji w ilościach użytkowych. Obecne metody produkcji dają niejednorodny materiał, więc zespół musiał znaleźć sposoby na przetestowanie tylko niewielkich obszarów materiału, które byłyby wystarczająco jednolite, aby zapewnić wiarygodne dane. Chociaż wykazali ogromny potencjał tej substancji, ” Nie wiemy, czy faktycznie będzie używany, czy nie – To jest Chen.

Krzem jest podstawą całej branży elektronicznej. Ponadto Komisja Europejska przedstawi we wtorek 8 lutego 2022 r. plan zwiększenia produkcji tych elementów elektronicznych o wartości 42 miliardów euro. Potrzebne będą więc dalsze prace, aby ustalić, czy sześcienny arsen boru może zastąpić wszechobecny krzem.

I chociaż właściwości termiczne i elektryczne były doskonałe, istnieje wiele innych właściwości tego materiału, które nie zostały jeszcze przetestowane, takie jak jego długoterminowa stabilność, wyjaśniają autorzy. Chen wskazuje: Teraz, gdy pożądane właściwości arsenku boru stają się coraz bardziej widoczne, co wskazuje, że materiał ten jest „pod wieloma względami najlepszym półprzewodnikiem”, być może zostanie temu materiałowi poświęcona więcej uwagi. ».

Naukowcy doszli jednak do wniosku, że w niedalekiej przyszłości materiał może znaleźć zastosowania, w których jego unikalne właściwości miałyby duże znaczenie, gdyby przemysł zapewnił finansowanie takiego rozwoju.

źródło : Nauki