Ημιαγωγός με καλύτερη απόδοση από το πυρίτιο ίσως αλλάξει το μέλλον της τεχνολογίας

Ημιαγωγός με καλύτερη απόδοση από το πυρίτιο ίσως αλλάξει το μέλλον της τεχνολογίας

Το πυρίτιο είναι το θεμέλιο της βιομηχανίας των ηλεκτρονικών. Ωστόσο, η απόδοσή του ως ημιαγωγός έχει πολλά περιθώρια βελτίωσης. Ερευνητές ανακάλυψαν ότι ένα υλικό γνωστό ως κυβικό αρσενίδιο του βορίου (c-BAs) μπορεί να έχει πολύ καλύτερη απόδοση από το πυρίτιο. Στην πραγματικότητα, μπορεί να είναι ο καλύτερος ημιαγωγός που έχει βρεθεί ποτέ και ενδεχομένως ακόμη και ο καλύτερος δυνατός που μπορεί να παραχθεί.

Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR (με ενεργό link) ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR. 

Το πυρίτιο είναι ένα από τα πιο άφθονα στοιχεία στη γη. Στην καθαρή του μορφή, το πυρίτιο είναι το κλειδί για μεγάλο μέρος της σύγχρονης τεχνολογίας, από microchips μέχρι ηλιακά κύτταρα. Ωστόσο, οι ιδιότητές του ως ημιαγωγού απέχουν πολύ από το να είναι ιδανικές.

Δείξαμε, για πρώτη φορά, ένα νέο υλικό με υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων και ταυτόχρονα υψηλή θερμική αγωγιμότητα.

— Zhifeng Ren, Houston University

Ένα σοβαρό μειονέκτημα του πυριτίου είναι ότι δεν είναι πολύ καλός αγωγός της θερμότητας. Ως εκ τούτου, η υπερθέρμανση και η ανάγκη για κοστοβόρα συστήματα ψύξης είναι κοινή πρακτική στα ηλεκτρονικά συστήματα (π.χ. υπολογιστές). Επιπλέον, αν και το πυρίτιο επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να διασχίζουν τη δομή του εύκολα, δε συμβαίνει το ίδιο με τις θετικά φορτισμένες οπές (κενές θέσεις στη ζώνη σθένους) που αφήνουν πίσω τους τα ηλεκτρόνια. Τα μειονεκτήματα αυτά περιορίζουν τη συνολική απόδοση του πυριτίου ως ημιαγωγού (είναι δεδομένο ότι οι περισσότεροι ημιαγωγοί χαρακτηρίζονται από υψηλή κινητικότητα είτε των ηλεκτρονίων ή λόγω των οπών).

Το 2018, η έρευνα αποκάλυψε ότι η ένωση c-BAs (Cubic boron arsenide) - ένας κρύσταλλος που αναπτύχθηκε από βόριο και αρσενικό, δύο σχετικά κοινά στοιχεία - απάγει τη θερμότητα σχεδόν 10 φορές περισσότερο σε σχέση με το πυρίτιο. Αυτή είναι η καλύτερη γνωστή θερμική αγωγιμότητα για οποιοδήποτε ημιαγωγό και η τρίτη καλύτερη για οποιοδήποτε υλικό, κατώτερη μονάχα από αυτή του διαμαντιού και του ισοτοπικά εμπλουτισμένου cubic boron nitride.

Επιπλέον, θεωρητικά είχε προβλεφθεί ότι το c-BAs θα είχε επίσης πολύ υψηλή κινητικότητα τόσο για τα ηλεκτρόνια όσο και για τις οπές. Τώρα σε δύο μελέτες που δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Science, πειράματα επιβεβαιώνουν την υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων και οπών που παρατηρείται στο c-BAs.

«Δείξαμε, για πρώτη φορά, ένα νέο υλικό με υψηλή κινητικότητα φορέων φορτίου και ταυτόχρονα υψηλή θερμική αγωγιμότητα», λέει ο Zhifeng Ren, φυσικός και επιστήμονας υλικών στο Πανεπιστήμιο του Houston και συν-συγγραφέας και στις δύο μελέτες. «Τα ευρήματα υποδεικνύουν μια νέα κατεύθυνση για τους ημιαγωγούς που θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στη βιομηχανία ημιαγωγών στο εγγύς μέλλον».

Η ανάλυση της κινητικότητας των ηλεκτρονίων και των οπών στο c-BAs ήταν πρόκληση επειδή οι κρύσταλλοι που είχαν οι ερευνητές ήταν μικροί. Επιπλέον, οι κρύσταλλοι ήταν γεμάτοι με προσμίξεις που δημιουργούσαν εμπόδια στην κίνηση των ηλεκτρονίων και των οπών. Ανιχνεύοντας τους κρυστάλλους μέσω παλμών laser, η ομάδα των επιστημόνων (από το Πανεπιστήμιο του Houston, το MIT, το Πανεπιστήμιο του Texas στο Austin και το Boston College) διαπίστωσαν ότι τα ηλεκτρόνια και οι οπές είχαν την υψηλότερη κινητικότητα σε σημεία του κρυσταλλικού πλέγματος με τις λιγότερες προσμίξεις.

Η κινητικότητα ηλεκτρονίων και οπών μετράται σε μονάδες τετραγωνικών εκατοστών ανά βολτ-δευτερόλεπτο (cm2/V•s). Το πυρίτιο έχει κινητικότητα ηλεκτρονίων 1.400 cm2/V•s και κινητικότητα οπών 450 cm2/V•s σε θερμοκρασία δωματίου. Αντίθετα, σύμφωνα με τα νέα ευρήματα, το c-BAs έχει κινητικότητα 1.600 cm2/V•s τόσο για ηλεκτρόνια όσο και για οπές που κινούνται ταυτόχρονα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος.

Επιπλέον, μία από τις δύο νέες μελέτες διαπίστωσε ότι η κινητικότητα των ηλεκτρονίων στο c-BAs θα μπορούσε να φτάσει τα 3.000 cm2/V•s. Αυτή η απόδοση μπορεί να οφείλεται σε «θερμά ηλεκτρόνια», τα οποία διατηρούν την ενέργεια που παράγεται από τους παλμούς laser που χρησιμοποιούνται για να διεγείρουν τους φορείς φορτίου περισσότερο από ότι στην πλειονότητα των άλλων υλικών. 

Μέχρι στιγμής, οι επιστήμονες έχουν φτιάξει c-BAs μόνο σε μικρές παρτίδες εργαστηριακής κλίμακας που δεν είναι ομοιόμορφες. Ωστόσο, ο Ren πιστεύει ότι είναι πολύ πιθανό να μπορεί το υλικό αυτό να κατασκευαστεί με πρακτικό και οικονομικό τρόπο, καθώς το βόριο, το αρσενικό και η τεχνική κατασκευής κρυστάλλων είναι όλα φθηνά. Λέει ότι για να διατηρηθεί ο ποιοτικός έλεγχος, οι κρύσταλλοι μπορούν να κλιμακωθούν σε πολύ μεγαλύτερα μεγέθη μόνο «όταν γίνει πλήρως κατανοητή η διαδικασία ανάπτυξης των κρυστάλλων».

Επιπλέον, λέει ο Ren, «η ομάδα μου πάντα πίστευε ότι μπορούν να επιτευχθούν ακόμη υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα και υψηλότερη κινητικότητα όσο βελτιώνεται περαιτέρω η ποιότητα των κρυστάλλων, επομένως ο βραχυπρόθεσμος στόχος είναι να βελτιωθεί η διαδικασία ανάπτυξής τους με στόχο τους κρυστάλλους υψηλότερης ποιότητας».

Πηγή: IEEE.org

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR
Image

Έγκυρη ενημέρωση για την αξιακή αλυσίδα των raw materials

NEWSLETTER