Care este cel mai bun semiconductor dintre toate?

Cercetătorii au descoperit un material care poate funcționa mult mai bine decât siliciul. Următorul pas este găsirea unor modalități practice și economice de a o face. Siliciul este unul dintre cele mai abundente elemente de pe Pământ, iar în forma sa pură, materialul a devenit fundamentul multor tehnologii moderne, de la celule solare la cipuri de computer. Dar proprietățile siliciului ca semiconductor sunt departe de a fi ideale. În primul rând, deși siliciul lasă electronii să treacă cu ușurință prin structura sa, este mult mai puțin adaptabil la „găuri” – omologii electronilor încărcați pozitiv – și valorificarea ambilor este importantă pentru unele tipuri de cipuri. În plus, siliciul nu este foarte bun la conducerea căldurii, motiv pentru care problemele de supraîncălzire și sistemele scumpe de răcire sunt comune la computere. Acum, o echipă de cercetători de la MIT, Universitatea din Houston și alte instituții a efectuat experimente care arată că un material cunoscut sub numele de arseniură de bor cubic depășește ambele limitări. Oferă mobilitate ridicată atât electronilor, cât și găurilor și are o conductivitate termică excelentă. Este, spun cercetătorii, cel mai bun material semiconductor găsit vreodată și poate cel mai bun posibil. Până acum, arseniura de bor cubic a fost făcută și testată doar în loturi mici, la scară de laborator, care nu sunt uniforme. Cercetătorii au trebuit să folosească metode speciale dezvoltate inițial de fostul post-doctorat MIT Bai Song pentru a testa regiuni mici din material. Va fi nevoie de mai multă muncă pentru a determina dacă arseniura de bor cubic poate fi produsă într-o formă practică, economică, cu atât mai puțin înlocuirea siliciului omniprezent.

Sursa foto: news.mit.edu

Dar chiar și în viitorul apropiat, materialul ar putea găsi unele utilizări în care proprietățile sale unice ar face o diferență semnificativă, spun cercetătorii. Descoperirile sunt raportate astăzi în revista Science, într-o lucrare scrisă de Jungwoo Shin și profesorul de inginerie mecanică al MIT, Gang Chen; Zhifeng Ren de la Universitatea din Houston; și alți 14 la MIT, la Universitatea din Houston, la Universitatea Texas din Austin și la Colegiul Boston. Cercetările anterioare, inclusiv lucrările lui David Broido, care este coautor al noii lucrări, au prezis teoretic că materialul va avea o conductivitate termică ridicată; lucrările ulterioare au demonstrat experimental această predicție. Această ultimă lucrare completează analiza confirmând experimental o predicție făcută de grupul lui Chen în 2018: că arseniura de bor cubic ar avea, de asemenea, o mobilitate foarte mare atât pentru electroni, cât și pentru găuri, „ceea ce face acest material cu adevărat unic”, spune Chen. Experimentele anterioare au arătat că conductivitatea termică a arseniurii de bor cubic este de aproape 10 ori mai mare decât cea a siliciului. „Deci, este foarte atractiv doar pentru disiparea căldurii”, spune Chen. De asemenea, au arătat că materialul are o bandgap foarte bună, proprietate care îi conferă un potențial mare ca material semiconductor. Acum, noua lucrare completează imaginea, arătând că, cu mobilitatea sa mare atât pentru electroni, cât și pentru găuri, arseniura de bor are toate calitățile principale necesare pentru un semiconductor ideal. „Acest lucru este important pentru că, desigur, în semiconductori avem sarcini pozitive și negative în mod echivalent.

Deci, dacă construiți un dispozitiv, doriți să aveți un material în care atât electronii, cât și găurile călătoresc cu mai puțină rezistență”, spune Chen. Siliciul are o mobilitate bună a electronilor, dar o mobilitate slabă a găurilor, iar alte materiale, cum ar fi arseniura de galiu, utilizate pe scară largă pentru lasere, au o mobilitate bună pentru electroni, dar nu și pentru găuri. „Căldura este acum un blocaj major pentru multe produse electronice”, spune Shin, autorul principal al lucrării. „Carbura de siliciu înlocuiește siliciul pentru electronicele de putere în industriile majore de vehicule electrice, inclusiv Tesla, deoarece are o conductivitate termică de trei ori mai mare decât siliciul, în ciuda mobilităților electrice mai mici. Imaginați-vă ce poate obține arseniurile de bor, cu o conductivitate termică de 10 ori mai mare și o mobilitate mult mai mare decât siliciul. Poate schimba jocul.” Shin adaugă: „Piatra de hotar critică care face posibilă această descoperire este progresele în sistemele de rețele laser ultrarapide de la MIT”, dezvoltate inițial de Song. Fără această tehnică, spune el, nu ar fi fost posibil să se demonstreze mobilitatea ridicată a materialului pentru electroni și găuri. Proprietățile electronice ale arseniurii cubice de bor au fost inițial prezise pe baza calculelor funcției de densitate mecanică cuantică făcute de grupul lui Chen, spune el, iar acele predicții au fost acum validate prin experimente efectuate la MIT, folosind metode de detectare optică pe probe realizate de Ren și membrii lui. echipa de la Universitatea din Houston. Nu numai că conductivitatea termică a materialului este cea mai bună dintre orice semiconductor, spun cercetătorii, dar are a treia cea mai bună conductivitate termică dintre orice material – lângă diamant și nitrura de bor cubică îmbogățită izotopic. „Și acum, am prezis comportamentul mecanic cuantic al electronului și al găurilor, tot din primele principii, și s-a dovedit, de asemenea, că este adevărat”, spune Chen.

Sursa: news.mit.edu