09 август 2022
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Открит е полупроводник, който работи много по-добре от силиция

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 26 юли 2022 в 00:01 116970
Според изследователи от Масачузетския технологичен институт кубичният борен арсенид е най-добрият полупроводник, откриван някога, и може би най-добрият възможен. Кредит: Christine Daniloff, MIT

Изследователи от САЩ и Китай са открили материал, който може да работи като полупроводник много по-добре от силиция. Сега се опитват да намерят практични и икономични начини за производството му.

Силицият съставлява 26-28% от земната кора предимно под формата на съединения и е вторият най-разпространен елемент в земната кора след кислорода. В чист вид като полупроводников материал е в основата на повечето съвременни технологии, включително компютърните чипове и слънчевите батерии. В действителност обаче свойствата на силиция като полупроводник далеч не са идеални.

Една от причините за това е, че въпреки че силицият позволява на електроните да преминават лесно през структурата му, той е много по-неподходящ за "дупките" - положително заредените аналози на електроните - а използването и на двете е от решаващо значение за определени видове устройства. Освен това силицият се справя зле с топлопроводимостта, което допринася за честите проблеми с прегряването и скъпите охладителни системи в компютрите.

Полупроводниците Полупроводниците са материал, който показва характеристики между проводник, който провежда електрически ток, и изолатор, който не провежда електрически ток. Излагането на различна температура, електрическо поле или различни честоти на светлината може да влияе на електропроводимостта на полупроводниците. В металните проводници проводимостта се осъществява от движението на електрони, но освен това в проводника има "дупки" с положителен заряд, които участват в проводимостта. Когато един електрон отиде някъде, оставя празно пространство с положителен заряд. Дупките са подобни на електроните и тъй като те имат способността да се местят, положителният поток от дупки може да бъде регулиран.
Полупроводник от n-типПолупроводник от p-тип
Терминът "n-тип" идва от думата negative, обозначаваща отрицателния заряд на повечето носители. Примес от петвалентен полупроводник (например арсен) се добавя към четиривалентен полупроводник (например силиций ). В процеса на взаимодействие всеки примесен атом влиза в ковалентна връзка със силициеви атоми. Въпреки това, няма място за петия електрон на атома на арсен в наситени валентни връзки и той преминава към далечната електронна обвивка. Там е необходимо по-малко количество енергия, за да се отдели електрон от атома. Електронът се откъсва и става свободен. В този случай преносът на заряд се извършва от електрон, а не от дупка, тоест този тип полупроводник провежда електрически ток като металите.

Терминът "р-тип" идва от думата "positive", обозначаваща положителния заряд на повечето носители. Проводимостта на този тип полупроводници е на основата на "дупки". Малко количество атоми на тривалентен елемент (например индий) се добавя към четиривалентен полупроводник (например силиций). Всеки примесен атом установява ковалентна връзка с три съседни силициеви атома. За да установи връзка с четвъртия силициев атом, атомът на индия няма валентен електрон, така че той улавя валентен електрон от ковалентна връзка на съседни силициеви атоми и се превръща в отрицателно зареден йон, в резултат на което се образува дупка.

Кредит на схемите: Wikimedia Commons

Сега екип от учени от Масачузетския технологичен институт, Университета в Хюстън и Националния център за нанонаука и технологии (NCNST) на Китайската академия на науките (CAS) провежда експерименти, които показват, че материал, наречен кубичен борен арсенид (c-BAs), преодолява и двете ограничения. Освен че осигурява висока подвижност както на електроните, така и на дупките, той има и отлична топлопроводимост. Според изследователите това е най-добрият полупроводников материал, откриван някога, а може би и най-добрият възможен такъв.

Досега кубичният борен арсенид е бил произвеждан и тестван само в малки, лабораторни количества, които не са еднородни. Всъщност, за да тестват малки области в материала, учените е трябвало да използват специални методи, първоначално разработени от бившия постдокторант на Масачузетския технологичен институт Бай Сун (Bai Song). Ще е необходима още работа, за да се определи дали кубичният борен арсенид може да бъде направен в практична, икономична форма, все още е рано да говорим да замени вездесъщия силиций. Но дори и в близко бъдеще, както смятат изследователите, материалът би могъл да намери някои приложения, при които неговите уникални свойства биха имали съществено значение.

По-ранни изследвания, включително работата на Дейвид Броидо (David Broido), който е съавтор на новата статия, са предвидили теоретично, че материалът ще има висока топлопроводимост. Последвалата работа доказва експериментално тази прогноза. Тази работа завършва анализа, като експериментално потвърждава теоретичното предвиждане, направено от групата на професора по машинно инженерство от MIT Ган Чън (Gang Chen) още през 2018 г.: че кубичният борен арсенид ще има и много висока подвижност както за електрони, така и за дупки, "което прави този материал наистина уникален", подчертава Чън.

По-ранните експерименти показват, че топлопроводимостта на кубичния борен арсенид е почти 10 пъти по-голяма от тази на силиция.

"Така че това е много привлекателно дори само за разсейване на топлината", коментира Чън.

Те също така показват, че материалът има много добра забранена зона (диапазонът от енергийни стойности, които един електрон не може да притежава в кристал) - свойство, което му дава голям потенциал като полупроводников материал.

Сега новата работа допълва картината, като показва, че с високата си подвижност както за електрони, така и за дупки, боровият арсенид притежава всички основни качества, необходими за идеален полупроводник.

"Това е важно, защото, разбира се, в полупроводниците имаме еквивалентни положителни и отрицателни заряди. Така че, ако създавате устройство, ви е нужен материал, в който и електроните, и дупките се движат с по-малко съпротивление", отбелязва Чън.

Силицият има добра подвижност на електроните, но слаба подвижност на дупките, други материали като галиевия арсенид, широко използван за лазери, също имат добра подвижност за електроните, но не и за дупките.

"Топлината сега е основна пречка за много електроники", разказва постдокторантът от MIT Дзюнуоо Шин (Jungwoo Shin), водещ автор на статията. "Силициевият карбид замества силиция за силовата електроника в големите електромобилни индустрии, включително Tesla, тъй като има три пъти по-висока топлопроводимост от силиция, въпреки по-ниската си електрическа подвижност. Представете си какво могат да постигнат боровите арсениди, които имат 10 пъти по-висока топлопроводимост и много по-висока подвижност от силиция. Това може да промени правилата на играта."

Шин добавя:

"Критичният етап, който прави това откритие възможно, е напредъкът в системите за свръхбързи лазерни решетки в Масачузетския технологичен институт", първоначално разработени от Сун. Без тази техника, смята той, няма да е възможно да се демонстрира високата подвижност на материала за електрони и дупки."

Електронните свойства на кубичния борен арсенид първоначално са били предсказани въз основа на квантовомеханични изчисления на функциите на плътността, направени от групата на Чън и тези прогнози сега са потвърдени чрез експерименти, проведени в MIT, с помощта на методи за оптично откриване на образци, направени от Джъфън Жън (Zhifeng Ren) и членове на екипа от Университета в Хюстън.

Учените твърдят, че материалът има не само най-добрата топлопроводимост от всички полупроводници, но и третата най-добра топлопроводимост от всички материали - след диаманта и обогатения с изотопи кубичен борен нитрид.

"А сега предсказахме квантовомеханичното поведение на електроните и дупките, също от първи принципи, и това също се оказа вярно", заявява Чън.

"Това е впечатляващо, защото всъщност не знам за друг материал, освен графена, който да притежава всички тези свойства. И това е материал в насипно състояние, който има тези свойства."

Сега предизвикателството според Чън е да се открият практически начини за производство на този материал в използваеми количества. Настоящите методи за производство правят този материал много нееднороден, така че екипът е трябвало да намери начини да тества само малки локални участъци от материала, които са достатъчно еднородни, за да предоставят надеждни данни. Въпреки че са демонстрирали големия потенциал на този материал, "дали и къде ще бъде използван на практика, не знаем", коментира Чън.

И докато топлинните и електрическите свойства са показали, че са отлични, има много други свойства на материала, които все още предстои да бъдат тествани, като например дългосрочната му стабилност, разказва Чън.

"За да се направят устройства, има много други фактори, които все още не познаваме."

За търговска употреба, посочва Рен, "едно голямо предизвикателство би било как да се произвежда и пречиства кубичен борен арсенид толкова ефективно, колкото силиция. ... За силиция бяха необходими десетилетия, за да си спечели короната, като чистотата му е над 99,99999999 процента, или "10 деветки" за масовото производство днес".

За да стане практически приложим на пазара, "наистина са необходими повече хора, които да разработят различни начини за получаване на по-добри материали и тяхното характеризиране". Дали ще бъде осигурено необходимото финансиране за такива разработки, предстои да разберем, казва Чън.

Справка: “High ambipolar mobility in cubic boron arsenide” by Jungwoo Shin, Geethal Amila Gamage, Zhiwei Ding, Ke Chen, Fei Tian, Xin Qian, Jiawei Zhou, Hwijong Lee, Jianshi Zhou, Li Shi, Thanh Nguyen, Fei Han, Mingda Li, David Broido, Aaron Schmidt, Zhifeng Ren and Gang Chen, 21 July 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abn4290

Източник: MIT Discovers Semiconductor That Can Perform Far Better Than Silicon
MIT


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Новини
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.