Silikondan çok daha üstün performansa sahip yarı iletken keşfi
Yarı iletken olmadan dijital (bilgisayarlar, akıllı telefonlar, oyun konsolları vb.) yoktur. Silikon, doğal bolluğu ve ekonomik uygulama maliyeti nedeniyle ticari olarak en çok kullanılan yarı iletken malzemedir. Bununla birlikte, yarı iletken özellikleri ideal olmaktan uzaktır ve COVID-19 pandemisinin neden olduğu kıtlıklar karşısında birçok kişi alternatifler aramaktadır. Son zamanlarda, MIT'den bir bilim insanı ekibi, "kübik bor arsenit" olarak bilinen bir malzemenin silikondaki boşlukları doldurduğunu ve muhtemelen bugün bilinen en iyi yarı iletken gibi göründüğünü gösterdi. Bir sonraki adım, bunu yapmanın pratik ve ekonomik yollarını bulmaktır.
Bir yarı iletkenin , saf halde elektriği iletmeyen, ancak belirli bir işlemden, dopingden sonra elektrik iletmeyen bir malzeme olduğunu bilmelisiniz . Bu yarı iletkenlik, safsızlıkların eklenmesiyle, N dopingiyle (negatif için, çünkü elektronlar eklendiğinden) elde edilir. eklendiğinden ) veya P (pozitif için, çünkü elektronlar kaldırıldığından) katkılanmasıyla elde edilir: bu, yarı iletkenlerin iletkenliğini arttırır.
Bu işlem, özellikle güneş panellerini oluşturan fotovoltaik hücrelerin temeli olan silikon durumunda kullanılır . Bir yarı iletkenin elektriksel iletkenliği, metallerin (iyi iletkenler) ile yalıtkanlarınki arasında orta düzeydedir. Bilgisayarlarda, elektronların birinden diğerine geçişine izin veren N katkılama ve P katkılama arasında değişen birkaç yarı iletken bir zincire yerleştirilir. N-katkılı yarı iletkenden gelen elektronlar, diğer yarı iletkenin P-dopinginin bıraktığı "delikleri" doldurur.
Bununla birlikte, silikon yaygın olarak kullanılmasına rağmen, özellikleri ideal değildir. Bir yandan yapısından elektronların kolayca geçmesine izin vermesine rağmen deliklere çok daha az uyum sağlar (P doping), elektronların geçişi zordur. Bu iki özellik yine de belirli çip türlerinde önemlidir. Ek olarak, silikon ısı iletmede çok verimli değildir, bu nedenle bilgisayarlarda aşırı ısınma sorunları ve pahalı soğutma sistemleri yaygındır.
Son zamanlarda, MIT, Houston Üniversitesi ve diğer kurumlardan bir araştırma ekibi, kübik bor arsenitinin bu sınırlamaların her ikisinin de üstesinden geldiğini gösterdi. Elektronlara ve deliklere yüksek hareketlilik sunar ve mükemmel termal iletkenliğe sahiptir. Çalışma, Science dergisinde iki eşzamanlı makale aracılığıyla yayınlandı. .
Önceki araştırmaları doğrulayan sonuçlar
Mevcut çalışma, yeni makalenin ortak yazarı David Broido'nun çalışması da dahil olmak üzere önceki araştırmalara dayanmaktadır. İkincisi teorik olarak kübik bor arsenidin silikondan yaklaşık 10 kat daha yüksek bir termal iletkenliğe sahip olacağını tahmin etmişti. Ek olarak, Chen'in 2018'deki ekibi ayrıca elektronlar ve delikler için çok yüksek hareketliliğe sahip olduğunu varsaydılar, " bu da bu malzemeyi gerçekten eşsiz kılıyor " Chen bir açıklamada . Şunları ekliyor: “ Önemli çünkü elbette yarı iletkenlerde eşdeğer pozitif ve negatif yüklere sahibiz. Yani bir cihaz yapıyorsanız, elektronların ve deliklerin daha az dirençle hareket ettiği bir malzemeye sahip olmak istersiniz. ”.
Kübik bor arsenidin elektronik özellikleri, orijinal olarak Chen'in grubu tarafından gerçekleştirilen kuantum mekanik yoğunluk fonksiyonu hesaplamalarına dayanarak tahmin edildi. Daha sonra, bu tahminler, Zhifeng Ren ve Houston Üniversitesi'ndeki meslektaşları tarafından yapılan numuneler üzerinde optik algılama yöntemleri (geçici yansıtma mikroskobu ile) kullanılarak MIT'de gerçekleştirilen deneylerle doğrulandı.
Profesör Shin şöyle açıklıyor: “ Bu keşfi mümkün kılan kritik adım, orijinal olarak eski MIT Doktora öğrencisi Bai Song tarafından geliştirilen MIT'deki ultra hızlı lazer dizi sistemlerinin geliştirilmesidir. Bu teknik olmadan, malzemenin elektronlar ve delikler için yüksek hareketliliğini göstermek mümkün olmazdı ”.
Daha önce de belirtildiği gibi, silikonun önündeki engellerden biri aşırı ısınması ve pahalı soğutma sistemlerine yatırım yapma ihtiyacıdır. Örneğin, elektrikli araçların elektroniğinde silisyum, üç kat daha fazla termal iletkenliğe sahip olan silisyum karbür ile değiştirilir. Basitçe söylemek gerekirse, baz silikonla aynı verimliliği elde etmek için üç kat daha az ısınması gerekir. Bununla birlikte, deneyleri yoluyla, çalışmanın yazarları, kübik bor arsenidin 10 kat daha yüksek termal iletkenliğini doğruladı. Profesör Shin altını çiziyor: “ Silikondan 10 kat daha fazla termal iletkenlik ve çok daha fazla hareketlilik ile bor arsenitlerinin neler başarabileceğini hayal edin. Bir oyun değiştirici olabilir ”.
Kullanılmamış potansiyele sahip yeni bir malzeme
Şimdiki zorluk, bu malzemeyi kullanılabilir miktarlarda üretmenin pratik yollarını bulmaktır. Mevcut üretim yöntemleri tek tip olmayan malzeme üretiyor, bu nedenle ekibin güvenilir veriler sağlamak için malzemenin yalnızca küçük alanlarını test etmenin yollarını bulması gerekiyordu. Chen , malzemenin büyük potansiyelini gösterseler de, " gerçekte kullanılıp kullanılmayacağını veya nerede kullanılacağını bilmiyoruz " diyor.
Silikon, tüm elektronik endüstrisinin beygir gücüdür. Ayrıca Avrupa Komisyonu, 8 Şubat 2022 Salı günü, bu elektronik bileşenlerin üretimini hızlandırmak için 42 milyar avroluk bir plan sunuyor. Bu nedenle, kübik bor arsenitinin her yerde bulunan silikonun yerini alıp alamayacağını belirlemek için daha fazla çalışmaya ihtiyaç duyulacaktır.
Yazarlar, termal ve elektriksel özelliklerin mükemmel bulunmasına rağmen, bu malzemenin henüz test edilmemiş birçok başka özelliği olduğunu, örneğin uzun vadeli kararlılığı gibi, yazarları açıklıyor. Chen, " Artık bor arsenidin istenen özellikleri daha net hale geldiğinden, malzemenin 'birçok yönden en iyi yarı iletken' olduğunu öne sürerek, belki de bu malzemeye daha fazla dikkat edilecektir .
Yine de araştırmacılar, endüstrinin böyle bir gelişme için gerekli finansmanı sağlaması durumunda, malzemenin yakın gelecekte benzersiz özelliklerinin önemli bir fark yaratacağı kullanımlar bulabileceği sonucuna varıyor.
