A kanë gjetur studiuesit gjysmëpërçuesin më të mirë?

Siliconi është një nga elementët më të bollshëm në Tokë dhe në formën e tij të pastër materiali është bërë themeli i teknologjisë moderne, nga qelizat diellore te çipat kompjuterikë. Por vetitë e silikonit si gjysmëpërçues janë larg idealit.

Për një gjë, megjithëse silikoni i lejon elektronet të kalojnë lehtësisht përmes strukturës së tij, ai është shumë më pak i përshtatshëm për “vrimat” – homologët e elektroneve të ngarkuar pozitivisht – dhe shfrytëzimi i të dyjave është i rëndësishëm për disa lloje të çipave. Për më tepër, silikoni nuk është shumë i mirë në përcjelljen e nxehtësisë, prandaj problemet e mbinxehjes dhe sistemet e shtrenjta të ftohjes janë të zakonshme në kompjuterë.

Tani, një ekip studiuesish në MIT, Universitetin e Hjustonit dhe institucione të tjera kanë kryer eksperimente që tregojnë se një material i njohur si arsenid bor kub i kapërcen të dyja këto kufizime. Ai siguron lëvizshmëri të lartë si për elektronet ashtu edhe për vrimat, dhe ka përçueshmëri të shkëlqyer termike. Është, thonë studiuesit, materiali gjysmëpërçues më i mirë i gjetur ndonjëherë, dhe ndoshta më i miri i mundshëm.

Deri më tani, arsenidi kub i borit është bërë dhe testuar vetëm në grupe të vogla në shkallë laboratorike që nuk janë uniforme. Studiuesve iu desh të përdornin metoda speciale të zhvilluara fillimisht nga ish-postdokumentari i MIT Bai Song për të testuar rajone të vogla brenda materialit. Do të nevojitet më shumë punë për të përcaktuar nëse arsenid bor kub mund të bëhet në një formë praktike dhe ekonomike, aq më pak të zëvendësojë silikonin e përhapur kudo. Por edhe në të ardhmen e afërt, materiali mund të gjejë disa përdorime ku vetitë e tij unike do të bënin një ndryshim të rëndësishëm, thonë studiuesit.

Gjetjet janë raportuar në revistën Science, në një punim nga postdokuenti i MIT, Jungwoo Shin dhe profesori i inxhinierisë mekanike në MIT, Gang Chen; Zhifeng Ren në Universitetin e Hjustonit; dhe 14 të tjerë në MIT, Universitetin e Hjustonit, Universitetin e Teksasit në Austin dhe Kolegjin e Bostonit.

Hulumtimet e mëparshme, duke përfshirë punën e David Broido, i cili është bashkëautor i punimit të ri, kishte parashikuar teorikisht se materiali do të kishte përçueshmëri të lartë termike; puna e mëvonshme e vërtetoi atë parashikim në mënyrë eksperimentale. Kjo punë e fundit plotëson analizën duke konfirmuar eksperimentalisht një parashikim të bërë nga grupi i Chen në vitin 2018: se arsenid bor kub do të kishte gjithashtu lëvizshmëri shumë të lartë si për elektronet ashtu edhe për vrimat, “gjë që e bën këtë material vërtet unik”, thotë Chen.

Eksperimentet e mëparshme treguan se përçueshmëria termike e arsenidit kub të borit është pothuajse 10 herë më e madhe se ajo e silikonit. “Pra, kjo është shumë tërheqëse vetëm për shpërndarjen e nxehtësisë,” thotë Chen. Ata treguan gjithashtu se materiali ka një gap shumë të mirë, një veti që i jep një potencial të madh si material gjysmëpërçues.

Tani, puna e re plotëson foton, duke treguar se me lëvizshmërinë e tij të lartë si për elektronet ashtu edhe për vrimat, arsenidi i borit ka të gjitha cilësitë kryesore të nevojshme për një gjysmëpërçues ideal. “Kjo është e rëndësishme sepse sigurisht në gjysmëpërçuesit kemi ngarkesa pozitive dhe negative në mënyrë ekuivalente. Pra, nëse ndërtoni një pajisje, dëshironi të keni një material ku elektronet dhe vrimat udhëtojnë me më pak rezistencë,” thotë Chen.

Siliconi ka lëvizshmëri të mirë të elektroneve, por lëvizshmëri të dobët të vrimave, dhe materiale të tjera si arsenidi i galiumit, i përdorur gjerësisht për lazer, në mënyrë të ngjashme kanë lëvizshmëri të mirë për elektronet, por jo për vrimat.

“Nxehtësia është tani një pengesë e madhe për shumë elektronikë,” thotë Shin, autori kryesor i gazetës. “Karbidi i silikonit po zëvendëson silikonin për elektronikën e energjisë në industritë kryesore të EV, përfshirë Teslën, pasi ai ka përçueshmëri termike tre herë më të lartë se silikoni, pavarësisht lëvizshmërisë së tij më të ulët elektrike. Imagjinoni se çfarë mund të arrijnë arsenidet e borit, me përçueshmëri termike 10 herë më të lartë dhe lëvizshmëri shumë më të lartë se silikon. Mund të jetë një ndryshim i lojës.”

Shin shton, “Piketa kritike që e bën të mundur këtë zbulim janë përparimet në sistemet e rrjetës lazer ultra të shpejtë në MIT”, të zhvilluar fillimisht nga Song. Pa atë teknikë, thotë ai, nuk do të ishte e mundur të demonstrohej lëvizshmëria e lartë e materialit për elektronet dhe vrimat.

Vetitë elektronike të arsenidit kub të borit fillimisht u parashikuan bazuar në llogaritjet e funksionit të densitetit mekanik kuantik të bëra nga grupi i Chen, thotë ai, dhe këto parashikime tani janë vërtetuar përmes eksperimenteve të kryera në MIT, duke përdorur metodat e zbulimit optik në mostrat e bëra nga Ren dhe anëtarët e ekipi në Universitetin e Hjustonit.

Jo vetëm që përçueshmëria termike e materialit është më e mira nga çdo gjysmëpërçues, thonë studiuesit, por ajo ka përçueshmërinë termike të tretë më të mirë se çdo material – pas diamantit dhe nitridit të borit kub të pasuruar në mënyrë izotopike. “Dhe tani, ne parashikuam sjelljen mekanike kuantike të elektroneve dhe vrimave, gjithashtu nga parimet e para, dhe kjo gjithashtu është provuar të jetë e vërtetë,” thotë Chen.

“Kjo është mbresëlënëse, sepse unë në fakt nuk di për ndonjë material tjetër, përveç grafenit, që i ka të gjitha këto veti,” thotë ai. “Dhe ky është një material me shumicë që ka këto veti.”

Sfida tani, thotë ai, është të gjejmë mënyra praktike për ta bërë këtë material në sasi të përdorshme. Metodat aktuale për ta bërë atë prodhojnë materiale shumë jo uniforme, kështu që ekipit iu desh të gjente mënyra për të testuar vetëm pjesë të vogla lokale të materialit që ishin mjaft uniforme për të siguruar të dhëna të besueshme. Ndërsa ata kanë demonstruar potencialin e madh të këtij materiali, “nëse ose ku do të përdoret në të vërtetë, ne nuk e dimë,” thotë Chen.

“Silikon është kali i punës së gjithë industrisë,” thotë Chen. “Pra, në rregull, ne kemi një material që është më i mirë, por a do të kompensojë në të vërtetë industrinë? Ne nuk e dimë.” Ndërsa materiali duket të jetë pothuajse një gjysmëpërçues ideal, “nëse ai mund të futet në një pajisje dhe të zëvendësojë një pjesë të tregut aktual, unë mendoj se ende duhet të provohet.”

Dhe ndërsa vetitë termike dhe elektrike janë treguar të shkëlqyera, ka shumë veti të tjera të një materiali që duhet ende të testohen, siç është qëndrueshmëria e tij afatgjatë, thotë Chen. “Për të bërë pajisje, ka shumë faktorë të tjerë që ne nuk i dimë ende.”

Ai shton, “Kjo potencialisht mund të jetë vërtet e rëndësishme, dhe njerëzit në të vërtetë nuk i kanë kushtuar vëmendje këtij materiali.” Tani që vetitë e dëshirueshme të arsenidit të borit janë bërë më të qarta, duke sugjeruar se materiali është “në shumë mënyra gjysmëpërçuesi më i mirë”, thotë ai, “ndoshta do t’i kushtohet më shumë vëmendje këtij materiali.”

Për përdorime komerciale, Ren thotë, “Një sfidë madhështore do të ishte se si të prodhohet dhe pastrohet arsenid bori kub në mënyrë aq efektive sa silikoni. … Silicit iu deshën dekada për të fituar kurorën, duke pasur pastërti mbi 99.99999999 përqind, ose ’10 nëntë’ për prodhim masiv. sot”.

Që ajo të bëhet praktike në treg, thotë Chen, “në të vërtetë kërkon më shumë njerëz që të zhvillojnë mënyra të ndryshme për të bërë materiale më të mira dhe për t’i karakterizuar ato.” Nëse fondet e nevojshme për një zhvillim të tillë do të jenë të disponueshme, mbetet për t’u parë, thotë ai.