https://delusionalrevolt.com/vqmr762sfx?key=c3668b2a6465dafa71bad2322044750a
تكنولوجيا

يكتشف معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أشباه موصلات يمكن أن تؤدي أداءً أفضل بكثير من السيليكون

بواسطة

زرنيخ البورون المكعب هو أفضل مادة شبه موصلة

يدعي باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن أرسينيد البورون المكعب هو أفضل مادة شبه موصلة تم العثور عليها على الإطلاق ، وربما أفضل مادة ممكنة. الائتمان: كريستين دانيلوف ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وقد عثروا في أماكن أخرى على مادة يمكن أن تؤدي أداءً أفضل بكثير من السيليكون. الخطوة التالية هي إيجاد طرق عملية واقتصادية لتحقيق ذلك.

يعد السيليكون أحد أكثر العناصر وفرة على الأرض ، وفي شكله النقي أصبحت مادة أشباه الموصلات أساسًا لكثير من التقنيات الحديثة ، بما في ذلك رقائق الكمبيوتر الإلكترونية الدقيقة والخلايا الشمسية. ومع ذلك ، فإن خصائص السيليكون كأشباه الموصلات بعيدة كل البعد عن المثالية.

أحد الأسباب هو أنه على الرغم من أن السيليكون يسمح للإلكترونات بالتدفق بسهولة عبر بنيته ، إلا أنه أقل قابلية للتكيف مع “الثقوب” – نظائر الإلكترونات موجبة الشحنة – واستغلال كلاهما أمر بالغ الأهمية لأنواع معينة من الأنظمة. بالإضافة إلى ذلك ، يقوم السيليكون بتوصيل الحرارة بشكل سيئ ، مما يساهم في حدوث مشكلات ارتفاع درجة الحرارة المتكررة وأنظمة تبريد الكمبيوتر باهظة الثمن.

الآن ، أجرى فريق من العلماء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هيوستن ومؤسسات أخرى تجارب تظهر أن مادة تسمى زرنيخ البورون المكعب تتغلب على كل من هذه القيود. بالإضافة إلى توفير قابلية تنقل عالية للإلكترونات والثقوب ، فهي تتميز بموصلية حرارية ممتازة. إنها أفضل مادة شبه موصلة تم العثور عليها على الإطلاق ، وربما أفضل مادة ممكنة ، وفقًا للباحثين.

حتى الآن ، تم تصنيع واختبار زرنيخ البورون المكعب فقط على دفعات صغيرة غير موحدة على نطاق معمل. في الواقع ، من أجل اختبار مناطق صغيرة في المادة ، كان على العلماء استخدام طرق خاصة تم تطويرها في الأصل بواسطة باحث ما بعد الدكتوراة السابق في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا باي سونغ. ستكون هناك حاجة إلى مزيد من العمل لتحديد ما إذا كان يمكن صنع زرنيخ البورون المكعب في شكل عملي واقتصادي ، ناهيك عن استبدال السيليكون في كل مكان. ولكن حتى في المستقبل القريب ، كما يقول الباحثون ، يمكن أن تجد المادة استخدامات تُحدث فيها خصائصها الفريدة فرقًا كبيرًا.

تم نشر النتائج في 21 يوليو 2022 في المجلة العلم، في مقال بقلم Jungwoo Shin وما بعد الدكتوراة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، جانج تشين ، أستاذ الهندسة الميكانيكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. زيفينج رن من جامعة هيوستن. و 14 آخرين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هيوستن وجامعة تكساس في أوستن وكلية بوسطن.

كان بحث سابق ، بما في ذلك عمل ديفيد برويدو ، المؤلف المشارك للورقة الجديدة ، قد تنبأ نظريًا بأن المادة سيكون لها موصلية حرارية عالية. أثبت العمل اللاحق تجريبياً هذا التوقع. يُكمل هذا العمل الأخير التحليل من خلال تأكيد تجريبي للتنبؤ الذي قدمته مجموعة تشين في عام 2018: أن الزرنيخيد المكعب من البورون سيكون له أيضًا قدرة عالية جدًا على الحركة للإلكترونات والثقوب ، “مما يجعل هذه المادة فريدة حقًا” ، يشرح تشين.

أظهرت التجارب السابقة أن الموصلية الحرارية لزرنيخ البورون المكعب أكبر بعشر مرات من الموصلية الحرارية للسيليكون. يقول تشين: “لذا فإن مجرد تبديد الحرارة مثير جدًا للاهتمام”. أظهروا أيضًا أن المادة بها فجوة نطاق جيدة جدًا ، وهي خاصية تمنحها إمكانات كبيرة كمواد شبه موصلة.

الآن يكمل العمل الجديد الصورة ، موضحًا أنه ، إلى جانب قدرته على الحركة العالية للإلكترونات والثقوب ، يتمتع زرنيخ البورون بجميع الصفات الأساسية اللازمة لأشباه الموصلات المثالية. “إنه مهم لأنه ، بالطبع ، في أشباه الموصلات لدينا شحنة موجبة وسالبة مكافئة. لذا ، إذا كنت تبني جهازًا ، فأنت تريد الحصول على مادة تتحرك فيها الإلكترونات والثقوب بمقاومة أقل ، “كما يقول تشين.

يتمتع السيليكون بحركة إلكترون جيدة ولكن حركة ثقوب ضعيفة ، كما أن المواد الأخرى مثل زرنيخيد الغاليوم ، المستخدم على نطاق واسع في الليزر ، تتمتع أيضًا بحركة إلكترون جيدة ولكنها لا تنقل الثقب.

يقول شين ، المؤلف الرئيسي للصحيفة: “تعتبر الحرارة الآن عنق الزجاجة الرئيسي للعديد من الأجهزة الإلكترونية”. “يحل كربيد السيليكون محل السيليكون لإلكترونيات الطاقة في صناعات السيارات الكهربائية الرئيسية ، بما في ذلك Tesla ، لأنه يحتوي على ثلاثة أضعاف الموصلية الحرارية للسيليكون على الرغم من انخفاض قدرته على التنقل الكهربائي. تخيل ما يمكن أن تحققه زرنيخيدات البورون ، مع موصلية حرارية أكبر بعشر مرات وبعيدة قدرة أكبر على الحركة من السيليكون.

يضيف شين: “الخطوة الحاسمة التي تجعل هذا الاكتشاف ممكنًا هي التقدم في أنظمة مصفوفة الليزر فائقة السرعة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا” ، التي طورها سونج في الأصل. بدون هذه التقنية ، كما يقول ، لم يكن من الممكن إثبات الحركة العالية للمادة للإلكترونات والثقوب.

تم التنبؤ بالخواص الإلكترونية لزرنيخيد البورون المكعب في الأصل بناءً على حسابات دالة الكثافة الميكانيكية الكمومية التي أجرتها مجموعة تشين ، كما يقول ، وقد تم التحقق من صحة هذه التنبؤات الآن من خلال التجارب التي أجريت في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، باستخدام طرق الكشف البصري على العينات التي تم إجراؤها بواسطة رن وفريقه. أعضاء في جامعة هيوستن.

لا تعتبر الموصلية الحرارية للمادة هي الأفضل من أي شبه موصل فحسب ، بل يزعم العلماء أيضًا أن لديها ثالث أفضل موصلية حرارية من أي مادة ، بجانب نيتريد البورون المكعب المخصب بالنظائر والألماس. قال تشين: “لقد توقعنا الآن السلوك الميكانيكي الكمومي للإلكترونات والثقوب ، أيضًا من المبادئ الأولى ، وقد ثبت صحة ذلك أيضًا”.

“إنه أمر مثير للإعجاب لأنني لا أعرف في الواقع أي مادة أخرى ، إلا الجرافين، والتي لديها كل هذه الخصائص ، كما يقول. “وهي مادة سائبة لها تلك الخصائص.”

يقول إن التحدي الآن هو إيجاد طرق عملية لصنع هذه المادة بكميات قابلة للاستخدام. تنتج طرق التصنيع الحالية مواد غير موحدة بدرجة كبيرة ، لذلك كان على الفريق أن يجد طرقًا لاختبار رقع محلية صغيرة فقط من المادة كانت موحدة بدرجة كافية لتوفير بيانات موثوقة. على الرغم من أنهم أظهروا الإمكانات العظيمة للمادة ، “لا نعرف ما إذا كان سيتم استخدامها بالفعل أو أين سيتم استخدامها” ، كما يقول تشين.

يقول تشين: “السيليكون هو العمود الفقري للصناعة بأكملها”. “حسنًا ، لدينا مادة أفضل ، ولكن هل ستعوض الصناعة حقًا؟ لا نعرف. على الرغم من أن المادة تبدو شبه موصلة مثالية ،” ما إذا كان بإمكانها الدخول إلى جهاز واستبدال بعض من السوق الحالية ، أعتقد أنه لم يتم إثبات ذلك بعد “.

وعلى الرغم من أن الخصائص الحرارية والكهربائية أثبتت أنها ممتازة ، إلا أن هناك العديد من الخصائص الأخرى للمادة التي لم يتم اختبارها بعد ، مثل ثباتها على المدى الطويل ، كما يقول تشين. “لصنع أجهزة ، هناك الكثير من العوامل الأخرى التي لا نعرفها حتى الآن.”

ويضيف ، “من المحتمل أن تكون مهمة للغاية ، والناس لم ينتبهوا حقًا إلى تلك المواد.” والآن بعد أن أصبحت الخصائص المرغوبة لزرنيخ البورون أكثر وضوحًا ، مما يشير إلى أن المادة “من نواح كثيرة أفضل أشباه موصلات” ، كما يقول ، “ربما سيتم إيلاء المزيد من الاهتمام لهذه المادة”.

بالنسبة للاستخدامات التجارية ، يقول رن ، “سيكون التحدي الكبير هو كيفية إنتاج وتنقية زرنيخ البورون المكعب بكفاءة مثل السيليكون. … استغرق السيليكون عقودًا للمطالبة بالتاج ، بدرجة نقاء تزيد عن 99.99999999٪ ، أو “10 تسعات” للإنتاج بالجملة اليوم.

لكي يصبح هذا عمليًا في السوق ، كما يقول تشين ، “تحتاج حقًا إلى المزيد من الأشخاص لتطوير طرق مختلفة لصنع مواد أفضل وتوصيفها”. ويضيف أنه يبقى أن نرى ما إذا كان التمويل اللازم لمثل هذا التطوير سيكون متاحًا أم لا.

المرجع: “تنقل أمبيبولبي عالي في أرسينيد البورون المكعب” بقلم جونغوو شين ، جيثال أميلا جاماج ، زهيوي دينغ ، كي تشن ، فاي تيان ، شين تشيان ، جياوي زو ، هويجونغ لي ، جيانشي زو ، لي شي ، ثانه نجوين ، فاي هان ، مينجدا لي ، ديفيد برودو ، آرون شميدت ، زيفينج رين وجانغ تشين ، 21 يوليو 2022 ، العلم.
DOI: 10.1126 / science.abn4290

تم دعم البحث من قبل مكتب الولايات المتحدة للبحوث البحرية والمرافق المستخدمة في المرافق التجريبية المشتركة MRSEC التابعة لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، بدعم من مؤسسة العلوم الوطنية.


Source link

مقالات ذات صلة

أضف تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

Back to top button