Η θεμελιώδης έρευνα διεξάγεται στο Crystal Growth Laboratory του SUSU Institute of Engineering and Technology με σκοπό τη δημιουργία ενός νέου ημιαγωγού που μπορεί να αντικαταστήσει τους παραδοσιακούς ημιαγωγούς. Οι επιστήμονες έλαβαν ως βάση τον, από καιρό γνωστό, barium hexaferrite και προσπαθούν να αντικαταστήσουν τον σίδηρο με ίνδιο στη σύνθεση του.
«Η δομή του barium hexaferrite έχει δύο υποπλέγματα, τα οποία είναι μαγνητικά και αλληλοεξουδετερώνονται ελαφρώς. Η προσπάθεια μας εστιάζεται στο να «εισάγουμε» το ίνδιο σε ένα από τα υποπλέγματα για να επιτύχουμε ένα πιο ισχυρό μαγνητικό αποτέλεσμα», λέει ο Aleksandr Punda, μεταπτυχιακός φοιτητής στο Τμήμα Επιστήμης και Φυσικοχημείας των Υλικών.
«Υπάρχουν πολλά ερευνητικά έργα στον κόσμο για την αντικατάσταση του σιδήρου με αλουμίνιο ή γάλλιο. Εξετάσαμε τη βιβλιογραφία, αναλύσαμε την ηλεκτρονική δομή των πλησιέστερων στοιχείων σύμφωνα με τη θέση τους στον περιοδικό πίνακα και θεωρήσαμε ενδιαφέρον να δοκιμάσουμε το ίνδιο ως εναλλακτική».
Η επιστήμη των υλικών παγκοσμίως βρίσκεται σε μία περίοδο άνθησης. Τα τελευταία δύο χρόνια, υπήρξε ένα παγκόσμιο πρόβλημα με την επάρκεια των ημιαγωγών, λόγω του ότι οι παραδοσιακά χρησιμοποιούμενες πρώτες ύλες δεν υπάρχουν σε αφθονία και αυτό τις καθιστά ακριβές. Αυτός είναι ένας τομέας που η επιστήμη των υλικών έχει στρέψει τις προσπάθειες της για την ανακάλυψη ημιαγωγών που δεν χρησιμοποιούν αυτές τις παραδοσιακές πρώτες ύλες.
Οι ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Chelyabinsk έχουν στη διάθεση τους ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης εξοπλισμένο με ένα φασματόμετρο διασποράς ενέργειας ακτίνων Χ, ένα περιθλασίμετρο ακτίνων Χ για την μελέτη κόνεων και έναν αυτοσυναρμολογούμένο σωληνωτό κλίβανο με θερμαντήρες καρβιδίου του πυριτίου, ικανό να διατηρεί θερμοκρασίες έως και 1400°C. Όλος αυτός ο εξοπλισμός είναι απαραίτητος για τη σύνθεση και τον ποιοτικό έλεγχο του υλικού. Οι επιστήμονες χρειάζονται δείγματα του νέου υλικού που να είναι ομοιογενή σε χημική σύσταση για να χαρακτηρίσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια τις ιδιότητες του.
Για την παραγωγή του barium hexaferrite υπάρχει διαθέσιμος ένας χημικός τύπος για την ανάμειξη των υπό εξέταση οξειδίων σε μορφή σκόνης. Η παραδοσιακή «συνταγή» απαιτεί 12 μέρη σιδήρου. Στο πρώτο στάδιο του πειράματος, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν 11 μέρη σιδήρου και 1 μέρος ινδίου. Τα προγράμματα θερμοκρασίας, χρόνου έκθεσης, θέρμανσης και ψύξης βελτιστοποιήθηκαν πειραματικά. Μετά από θετικά αποτελέσματα, η εργασία συνεχίστηκε. Σήμερα, οι επιστήμονες στο ινστιτούτο SUSU είναι οι μόνοι στον κόσμο που έχουν καταφέρει να αντικαταστήσουν τρία από τα 12 μέρη σιδήρου με ίνδιο.
Εάν το έργο των επιστημόνων στο Chelyabinsk για την ανακάλυψη ενός νέου ημιαγωγού είναι επιτυχές, θα είναι δυνατό να ξεκινήσει η εφαρμοσμένη έρευνα σε περίπου ένα χρόνο από τώρα. Η σύνθεση κεραμικών ημιαγωγών είναι ένα πολύ ευρύ και γόνιμο θέμα. Το κύριο ενδιαφέρον εδώ υπάρχει για τους κατασκευαστές διαφόρων ηλεκτρονικών συσκευών που έχουν ανάγκη φθηνούς και σε μεγάλη αφθονία ημιαγωγούς.
«Οι πρακτικές εφαρμογές του νέου ημιαγωγού είναι απεριόριστες», λέει ο Aleksandr Punda. «Θα είμαστε σε θέση να δημιουργήσουμε πιο ακριβείς αισθητήρες θερμοκρασίας, για παράδειγμα. Μπορούμε να φτιάξουμε ημιαγωγούς με συγκεκριμένες ιδιότητες για μια συγκεκριμένη εφαρμογή».
Σύμφωνα με τους επιστήμονες, αυτή τη στιγμή βρίσκεται σε εξέλιξη θεμελιώδης έρευνα, αλλά εάν χρειαστεί, είναι δυνατό να προχωρήσουν οι πρακτικές δοκιμές του νέου ημιαγωγού εντός δύο ετών.
Όλη η έρευνα πραγματοποιείται με την υποστήριξη του προγράμματος Priority 2030 για τη στρατηγική ανάπτυξη των πανεπιστημίων στο πλαίσιο του εθνικού έργου Επιστήμη και Πανεπιστήμια.
Με πληροφορίες από globalenergyprize.org