Krzem jest jednym z najobficiej występujących pierwiastków na Ziemi, aw czystej postaci materiał ten stał się podstawą wielu nowoczesnych technologii, od ogniw słonecznych po chipy komputerowe. Jednak właściwości krzemu jako półprzewodnika są dalekie od ideału.
Po pierwsze, chociaż krzem przepuszcza elektrony z łatwością przez swoją strukturę, znacznie gorzej przystosowuje się do „dziur” – dodatnio naładowanych odpowiedników elektronów – i wykorzystanie obu tych elementów jest ważne w przypadku niektórych rodzajów chipów. Co więcej, krzem nie jest zbyt dobry w przewodzeniu ciepła, dlatego problemy z przegrzewaniem i drogimi systemami chłodzenia są powszechne w komputerach.
Teraz zespół naukowców z MIT, University of Houston i innych instytucji przeprowadził eksperymenty pokazujące, że materiał znany jako sześcienny arsenek boru pokonuje oba te ograniczenia. Zapewnia wysoką mobilność zarówno elektronom, jak i dziurom oraz ma doskonałą przewodność cieplną. Naukowcy twierdzą, że jest to najlepszy materiał półprzewodnikowy, jaki kiedykolwiek znaleziono i być może najlepszy z możliwych.
Do tej pory sześcienny arsenek boru był wytwarzany i testowany tylko w małych, niejednorodnych partiach w skali laboratoryjnej. Naukowcy musieli użyć specjalnych metod pierwotnie opracowanych przez byłego podoktora MIT Bai Songa, aby przetestować małe obszary w materiale. Potrzebne będą dalsze prace, aby ustalić, czy sześcienny arsenek boru może być wytwarzany w praktycznej, ekonomicznej formie, a tym bardziej zastąpić wszechobecny krzem. Ale nawet w niedalekiej przyszłości materiał może znaleźć zastosowania, w których jego unikalne właściwości mogłyby znacząco zmienić – twierdzą naukowcy.
Odkrycia zostały opublikowane w czasopiśmie Science, w artykule Jungwoo Shina i profesora inżynierii mechanicznej na MIT, Gang Chen; Zhifeng Ren na Uniwersytecie w Houston; i 14 innych na MIT, University of Houston, University of Texas w Austin i Boston College.
Wcześniejsze badania, w tym praca Davida Broido, który jest współautorem nowego artykułu, teoretycznie przewidywały, że materiał będzie miał wysoką przewodność cieplną; późniejsze prace udowodniły to przewidywanie eksperymentalnie. Ta najnowsza praca kończy analizę, potwierdzając eksperymentalnie przewidywania grupy Chen w 2018 r.: sześcienny arsenek boru miałby również bardzo wysoką mobilność zarówno elektronów, jak i dziur, „co czyni ten materiał naprawdę wyjątkowym” – mówi Chen.
Wcześniejsze eksperymenty wykazały, że przewodność cieplna sześciennego arsenku boru jest prawie 10 razy większa niż krzemu. „Więc jest to bardzo atrakcyjne tylko ze względu na rozpraszanie ciepła” – mówi Chen. Wykazali również, że materiał ma bardzo dobrą przerwę energetyczną, właściwość, która daje mu wielki potencjał jako materiał półprzewodnikowy.
Teraz nowa praca wypełnia obraz, pokazując, że arsenek boru, ze względu na wysoką ruchliwość zarówno elektronów, jak i dziur, ma wszystkie główne cechy potrzebne do stworzenia idealnego półprzewodnika. „To ważne, ponieważ oczywiście w półprzewodnikach mamy równoważne ładunki dodatnie i ujemne. Jeśli więc budujesz urządzenie, chcesz mieć materiał, w którym zarówno elektrony, jak i dziury przemieszczają się z mniejszym oporem”, mówi Chen.
Krzem ma dobrą ruchliwość elektronów, ale słabą ruchliwość dziur, a inne materiały, takie jak arsenek galu, szeroko stosowany w laserach, mają podobnie dobrą ruchliwość elektronów, ale nie dziur.
„Ciepło jest teraz głównym wąskim gardłem dla wielu urządzeń elektronicznych”, mówi Shin, główny autor gazety. „Węglik krzemu zastępuje krzem w energoelektronice w głównych gałęziach przemysłu pojazdów elektrycznych, w tym w Tesli, ponieważ ma trzykrotnie wyższą przewodność cieplną niż krzem pomimo mniejszej ruchliwości elektrycznej. Wyobraź sobie, co mogą osiągnąć arsenki boru z 10-krotnie wyższą przewodnością cieplną i znacznie wyższą mobilnością niż krzemu. Może zmienić zasady gry”.
Shin dodaje: „Kluczowym kamieniem milowym, który umożliwia to odkrycie, jest postęp w ultraszybkich laserowych systemach siatki w MIT”, początkowo opracowanym przez Song. Jak mówi, bez tej techniki nie byłoby możliwe zademonstrowanie wysokiej ruchliwości materiału dla elektronów i dziur.
Elektroniczne właściwości sześciennego arsenku boru były początkowo przewidywane na podstawie obliczeń kwantowych funkcji gęstości mechanicznej wykonanych przez grupę Chena, a te przewidywania zostały teraz potwierdzone w eksperymentach przeprowadzonych w MIT, przy użyciu metod detekcji optycznej na próbkach wykonanych przez Ren i członków zespół na Uniwersytecie w Houston.
Jak twierdzą naukowcy, przewodność cieplna materiału jest nie tylko najlepsza ze wszystkich półprzewodników, ale także trzecia pod względem przewodności cieplnej ze wszystkich materiałów – obok diamentu i wzbogaconego izotopowo regularnego azotku boru. „A teraz przewidzieliśmy zachowanie elektronów i dziur w mechanice kwantowej, również na podstawie pierwszych zasad, co również okazało się prawdą” – mówi Chen.
„To imponujące, ponieważ właściwie nie znam żadnego innego materiału, poza grafenem, który miałby wszystkie te właściwości” – mówi. „A to jest materiał sypki, który ma takie właściwości”.
Obecnie wyzwaniem, jak mówi, jest wymyślenie praktycznych sposobów wytwarzania tego materiału w ilościach użytkowych. Obecne metody wytwarzania bardzo niejednorodnego materiału, dlatego zespół musiał znaleźć sposoby na przetestowanie tylko małych lokalnych fragmentów materiału, które byłyby wystarczająco jednolite, aby zapewnić wiarygodne dane. Chociaż zademonstrowali ogromny potencjał tego materiału, „nie wiemy, czy i gdzie będzie on faktycznie używany”, mówi Chen.
„Krzem to koń pociągowy całej branży”, mówi Chen. „Więc OK, mamy lepszy materiał, ale czy rzeczywiście zrekompensuje to branżę? Nie wiemy”. Chociaż materiał wydaje się być niemal idealnym półprzewodnikiem, „niezależnie od tego, czy rzeczywiście może dostać się do urządzenia i zastąpić niektóre z obecnych na rynku, myślę, że wciąż nie zostało to udowodnione”.
Chociaż wykazano, że właściwości termiczne i elektryczne są doskonałe, istnieje wiele innych właściwości materiału, które nie zostały jeszcze przetestowane, takie jak jego długoterminowa stabilność, mówi Chen. „Aby tworzyć urządzenia, istnieje wiele innych czynników, których jeszcze nie znamy”.
Dodaje: „To potencjalnie może być naprawdę ważne, a ludzie nawet nie zwracali uwagi na ten materiał”. Teraz, gdy pożądane właściwości arsenku boru stały się bardziej jasne, co sugeruje, że materiał ten jest „pod wieloma względami najlepszym półprzewodnikiem”, mówi, „być może zostanie zwrócona większa uwaga na ten materiał”.
W przypadku zastosowań komercyjnych, mówi Ren, „jednym wielkim wyzwaniem byłoby wytwarzanie i oczyszczanie sześciennego arsenku boru tak skutecznie, jak krzem. … Krzemowi zajęło dziesięciolecia, aby zdobyć koronę, mając czystość ponad 99,99999999 procent, czyli „10 dziewiątek” do masowej produkcji Dziś.”
Chen mówi, że aby stało się to praktyczne na rynku, „to naprawdę wymaga większej liczby osób, aby opracować różne sposoby tworzenia lepszych materiałów i ich charakteryzowania”. To, czy dostępne będą niezbędne fundusze na taki rozwój, dopiero się okaże, mówi.
Badania były wspierane przez Biuro Badań Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych i korzystano z obiektów współdzielonych obiektów eksperymentalnych MRSEC MIT, wspieranych przez Narodową Fundację Nauki.