Sonsuz Ark/ Evrensel Çerçeveye Yolculuk
"MIT, Houston Üniversitesi ve diğer kurumlardan bir bilim insanı ekibi, kübik bor arsenit adı verilen bir malzemenin bu sınırlamaların her ikisinin de üstesinden geldiğini gösteren deneyler gerçekleştirdi. Kübik bor arsenit hem elektronlara hem de deliklere yüksek hareketlilik sağlamasının yanı sıra mükemmel ısı iletkenliğine sahip. Araştırmacılara göre şimdiye kadar bulunan en iyi yarı iletken malzeme ve belki de mümkün olan en iyisi.
MIT Discovers Semiconductor That Can Perform Far Better Than Silicon
Silikon, dünyadaki en bol elementlerden biridir ve saf haliyle, yarı iletken malzeme, mikroelektronik bilgisayar çipleri ve güneş pilleri dahil olmak üzere modern teknolojinin çoğunun temeli haline gelmiştir. Ancak, bir yarı iletken olarak silikonun özellikleri aslında ideal olmaktan uzaktır.
Kübik Bor Arsenid En İyi Yarı İletken Malzemedir
Bunun bir nedeni, silikonun elektronların yapısından kolayca akmasına izin vermesine rağmen, “deliklere” - elektronların pozitif yüklü karşılıklarına - çok daha az uyum sağlaması ve her ikisinden de yararlanılması belirli cihaz türleri için çok önemlidir. Ayrıca silikon, ısıyı taşımakta yetersiz kalıyor ve bu da bilgisayarlarda sık görülen aşırı ısınma sorunlarına ve pahalı soğutma sistemlerine katkıda bulunuyor.
Şimdi, MIT, Houston Üniversitesi ve diğer kurumlardan bir bilim insanı ekibi, kübik bor arsenit adı verilen bir malzemenin bu sınırlamaların her ikisinin de üstesinden geldiğini gösteren deneyler gerçekleştirdi. Kübik bor arsenit hem elektronlara hem de deliklere yüksek hareketlilik sağlamasının yanı sıra mükemmel ısı iletkenliğine sahip. Araştırmacılara göre şimdiye kadar bulunan en iyi yarı iletken malzeme ve belki de mümkün olan en iyisi.
Kübik bor arsenit şimdiye kadar sadece tek tip olmayan küçük, laboratuvar ölçekli partilerde yapılmış ve test edilmiştir. Aslında, malzeme içindeki küçük bölgeleri test etmek için bilim adamları, orijinal olarak eski MIT doktora sonrası Bai Song tarafından geliştirilen özel yöntemleri kullanmak zorunda kaldılar. Kübik bor arsenidin her yerde bulunan silikonun yerine pratik, ekonomik bir biçimde yapılıp yapılamayacağını belirlemek için daha fazla çalışmaya ihtiyaç duyulacaktır. Ancak araştırmacılar, yakın gelecekte bile, malzemenin, benzersiz özelliklerinin önemli bir fark yaratacağı bazı kullanımlar bulabileceğini söylüyor.
Bulgular, 21 Temmuz 2022'de Science dergisinde MIT postdoc Jungwoo Shin ve MIT makine mühendisliği profesörü Gang Chen'in bir makalesinde duyuruldu; Houston Üniversitesi'nden Zhifeng Ren; ve MIT'de, Houston Üniversitesi'nde, Austin'deki Texas Üniversitesi'nde ve Boston College'da 14 kişi katkıda bulundu.
Yeni makalenin ortak yazarlarından David Broido'nun çalışmaları da dahil olmak üzere daha önceki araştırmalar, malzemenin yüksek termal iletkenliğe sahip olacağını teorik olarak öngörmüştü. Sonraki çalışma deneysel olarak bu öngörüyü kanıtladı. Bu son çalışma, Chen'in grubu tarafından 2018'de yapılan bir öngörüyü deneysel olarak doğrulayarak analizi tamamlıyor: Chen, kübik bor arsenidin hem elektronlar hem de delikler için çok yüksek hareketliliğe sahip olacağını, “bunun, bu malzemeyi gerçekten benzersiz kılacağını” söylüyor.
Daha önceki deneyler, kübik bor arsenidin termal iletkenliğinin silikonunkinden neredeyse 10 kat daha fazla olduğunu göstermişti. Chen, "Yani, bu sadece ısı dağılımı için çok çekici" diyor. Ayrıca, malzemenin çok iyi bir bant aralığına sahip olduğunu, yarı iletken malzeme olarak büyük potansiyel sağlayan bir özellik olduğunu gösterdiler.
Şimdi, yeni çalışma, hem elektronlar hem de delikler için yüksek hareketliliği ile bor arsenitinin ideal bir yarı iletken için gereken tüm temel niteliklere sahip olduğunu gösteren resmi dolduruyor. "Bu önemli çünkü yarı iletkenlerde eşit olarak hem pozitif hem de negatif yüklere sahibiz. Dolayısıyla, bir cihaz yaparsanız, hem elektronların hem de deliklerin daha az dirençle hareket ettiği bir malzemeye sahip olmak istersiniz” diyor Chen.
Silikonun elektron hareketliliği iyidir, ancak delik hareketliliği zayıftır ve lazerler için yaygın olarak kullanılan galyum arsenit gibi diğer malzemeler de benzer şekilde elektronlar için iyi hareketliliğe sahiptir, ancak delikler için değildir.
Gazetenin baş yazarı Shin, “Isı artık birçok elektronik için büyük bir darboğaz” diyor. “Silisyum karbür, daha düşük elektrik hareketliliğine rağmen silikondan üç kat daha yüksek termal iletkenliğe sahip olduğundan Tesla dahil büyük EV endüstrilerinde güç elektroniği için silikonun yerini alıyor. Silikondan 10 kat daha yüksek termal iletkenlik ve çok daha yüksek hareketlilik ile bor arsenitlerinin neler başarabileceğini hayal edin. Bir oyun değiştirici olabilir.”
Shin, başlangıçta Song tarafından geliştirilen "Bu keşfi mümkün kılan kritik dönüm noktası, MIT'deki ultra hızlı lazer ızgara sistemlerindeki gelişmelerdir" diye ekliyor. Bu teknik olmadan, malzemenin elektronlar ve delikler için yüksek hareketliliğini göstermenin mümkün olmayacağını söylüyor.
Kübik bor arsenidin elektronik özellikleri başlangıçta Chen'in grubu tarafından yapılan kuantum mekanik yoğunluk fonksiyonu hesaplamalarına dayanarak tahmin edildiğini ve bu tahminlerin şimdi MIT'de Ren ve Houston Üniversitesi'ndeki ekip üyeleri tarafından yapılan örnekler üzerinde optik algılama yöntemleri kullanılarak yapılan deneylerle doğrulandığını söylüyor.
Malzemenin termal iletkenliği yalnızca herhangi bir yarı iletkenin en iyisi değil, aynı zamanda bilim adamları, elmasın ve izotopik olarak zenginleştirilmiş kübik bor nitrürün yanında herhangi bir malzemenin en iyi üçüncü termal iletkenliğine sahip olduğunu söylüyorlar. Chen, "Ve şimdi, elektron ve delik kuantum mekanik davranışını da ilk ilkelerden tahmin ettik ve bunun da doğru olduğu kanıtlandı" diyor.
“Bu etkileyici çünkü grafen dışında tüm bu özelliklere sahip başka bir malzeme bilmiyorum ” diyor. "Ve bu, bu özelliklere sahip bir dökme malzemedir."
Şimdiki zorluğun, bu malzemeyi kullanılabilir miktarlarda yapmanın pratik yollarını bulmak olduğunu söylüyor. Çok düzgün olmayan malzeme üretmenin mevcut yöntemleri, bu nedenle ekibin, güvenilir veriler sağlamak için yeterince tek tip olan malzemenin yalnızca küçük yerel parçalarını test etmenin yollarını bulması gerekiyordu. Chen, bu malzeme büyük potansiyelini gösterse de, "gerçekte kullanılıp kullanılmayacağını veya nerede kullanılacağını bilmiyoruz" diyor.
Chen, "Silikon, tüm endüstrinin beygir gücüdür" diyor. "Pekala, tamam, elimizde daha iyi bir malzeme var, ama bu aslında sektörü dengeleyecek mi? Bilmiyoruz.” Materyal neredeyse ideal bir yarı iletken gibi görünse de, "gerçekten bir cihaza girip mevcut pazarın bir kısmının yerini alıp alamayacağı, henüz kanıtlanmadığını düşünüyorum."
Chen, termal ve elektriksel özelliklerin mükemmel olduğu gösterilmiş olsa da, uzun vadeli kararlılığı gibi bir malzemenin henüz test edilmemiş birçok başka özelliği olduğunu söylüyor. "Cihaz yapmak için henüz bilmediğimiz birçok faktör var."
"Bu potansiyel olarak gerçekten önemli olabilir ve insanlar bu malzemeye gerçekten dikkat etmediler bile" diye ekliyor. Bor arsenidin istenen özellikleri artık daha açık hale geldiğine göre, malzemenin "birçok yönden en iyi yarı iletken" olduğunu öne sürüyor ve "belki bu malzemeye daha fazla dikkat edilecektir" diyor.
Ren, ticari kullanımlar için, “büyük bir zorluk, kübik bor arsenidin silikon kadar etkili bir şekilde nasıl üretilip saflaştırılacağı olacaktır. … Silikonun tacı kazanması on yıllar aldı, yüzde 99,999999999'un üzerinde saflığa veya bugün seri üretim için '10 dokuz'luk bir saflığa sahipti.”
Chen, bunun piyasada pratik hale gelmesi için "daha iyi malzemeler yapmak ve onları karakterize etmek için farklı yollar geliştirmesi gerçekten daha fazla insana ihtiyaç duyuyor" diyor. Böyle bir gelişme için gerekli fonun sağlanıp sağlanmayacağı görülecektir, diyor.
Araştırma, ABD Deniz Araştırmaları Ofisi tarafından desteklendi ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenen MIT'nin MRSEC Ortak Deneysel Tesislerini kullandı.
David L. Chandler, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü (MIT), 22 Temmuz 2022, SciTechDaily
Mustafa Tamer, 05.10.2022, Sonsuz Ark, Çeviri, Bilim ve Teknoloji, Aklın Merdivenleri
Referans: 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 tarafından “Yüksek ambipolar hareketlilik kübik bor arsenide” Li, David Broido, Aaron Schmidt, Zhifeng Ren ve Gang Chen, 21 Temmuz 2022, Bilim. DOI: 10.1126/science.abn4290
- Sonsuz Ark'ta yayınlanan yazılardan yazarları sorumludur.
- Sonsuz Ark linki verilerek kısmen alıntı yapılabilir.
- Sonsuz Ark yayınları Sonsuz Ark manifestosuna aykırı yayın yapan sitelerde yayınlanamaz.
- Sonsuz Ark Yayınlarının Kullanımına İlişkin Önemli Duyuru için lütfen tıklayınız.