Le développement par l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign d’un dispositif semi-conducteur en diamant haute performance représente une étape importante vers la satisfaction de la demande croissante d’électricité et l’atteinte de la neutralité carbone d’ici 2050. Cette percée dans la technologie du diamant offre une capacité de tension plus élevée et un courant de fuite plus faible, surpassant ainsi les performances du silicium traditionnel. -à base de semi-conducteurs. Crédit : Issues.fr.com
Les chercheurs ont développé un dispositif semi-conducteur en diamant, offrant une solution prometteuse pour atteindre la neutralité carbone d’ici 2050. Ce dispositif présente la tension de claquage la plus élevée et le courant de fuite le plus faible par rapport aux dispositifs en diamant existants, marquant une avancée significative dans le processus d’électrification.
Pour atteindre l’objectif mondial de neutralité carbone d’ici 2050, il doit y avoir un changement fondamental dans les matériaux électroniques afin de créer un réseau électrique plus fiable et plus résilient. Un diamant est peut-être le meilleur ami d’une fille, mais il pourrait aussi être la solution nécessaire pour soutenir l’électrification de la société nécessaire pour atteindre la neutralité carbone dans les 30 prochaines années. Des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont développé un dispositif semi-conducteur fabriqué à partir de diamant, qui présente la tension de claquage la plus élevée et le courant de fuite le plus faible par rapport aux dispositifs en diamant précédemment signalés. Un tel dispositif permettra de mettre en place des technologies plus efficaces, nécessaires à la transition mondiale vers les énergies renouvelables.
La demande croissante d’électricité
On estime qu’actuellement, 50 % de l’électricité mondiale est contrôlée par des appareils électriques, et dans moins d’une décennie, ce chiffre devrait atteindre 80 %, tandis que simultanément, la demande d’électricité augmentera de 50 % d’ici 2050.
Selon un nouveau rapport des Académies nationales des sciences, de l’ingénierie et de la médecine : « Le plus grand danger technologique pour une transition énergétique réussie est peut-être le risque que la nation ne parvienne pas à implanter, moderniser et construire le réseau électrique. Sans augmentation de la capacité de transport, le déploiement des énergies renouvelables serait retardé et le résultat net pourrait être au moins une augmentation temporaire des émissions de combustibles fossiles, empêchant le pays d’atteindre ses objectifs de réduction des émissions.
Dispositif semi-conducteur en diamant (taille 4 mm x 4 mm). Crédit : Le Grainger College of Engineering de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign
« Pour répondre à ces demandes en électricité et moderniser le réseau électrique, il est très important que nous abandonnions les matériaux conventionnels, comme le silicium, au profit des nouveaux matériaux que nous voyons aujourd’hui adoptés, comme le carbure de silicium et la prochaine génération de matériaux. semi-conducteurs« des matériaux à bande interdite ultra large, tels que le nitrure d’aluminium, le diamant et les composés associés », explique un professeur de génie électrique et informatique. Can Bayram, qui a dirigé cette recherche, avec l’étudiant diplômé Zhuoran Han. Le résultats de ces travaux ont été publiés dans la revue IEEE Electron Device Letters.
Semi-conducteurs : au-delà du silicium
La plupart des semi-conducteurs sont fabriqués à partir de silicium et répondent jusqu’à présent aux besoins électriques de la société. Mais comme le souligne Bayram : « Nous voulons nous assurer que nous disposons de suffisamment de ressources pour tout le monde, alors que nos besoins évoluent. À l’heure actuelle, nous utilisons de plus en plus de bande passante, nous créons plus de données (qui s’accompagnent également de plus de stockage) et nous consommons plus d’énergie, plus d’électricité et plus d’énergie en général. La question est : existe-t-il un moyen de rendre tout cela plus efficace, plutôt que de produire plus d’énergie et de construire davantage de centrales électriques ?
La supériorité des semi-conducteurs en diamant
Le diamant est un semi-conducteur à espacement ultra large doté de la conductivité thermique la plus élevée, qui correspond à la capacité d’un matériau à transférer de la chaleur. En raison de ces propriétés, les dispositifs semi-conducteurs en diamant peuvent fonctionner à des tensions et des courants beaucoup plus élevés (avec moins de matériau) tout en dissipant la chaleur sans entraîner de réduction des performances électriques, par rapport aux matériaux semi-conducteurs traditionnels comme le silicium. « Pour avoir un réseau électrique nécessitant un courant et une tension élevés, ce qui rend tout plus efficace pour des applications telles que les panneaux solaires et les éoliennes, nous avons alors besoin d’une technologie sans limite thermique. C’est là que le diamant entre en jeu », explique Bayram.
Bien que de nombreuses personnes associent le diamant à des bijoux coûteux, le diamant peut être fabriqué en laboratoire de manière plus abordable et plus durable, ce qui en fait une alternative viable et importante aux semi-conducteurs. Le diamant naturel se forme profondément sous la surface de la Terre sous une pression et une chaleur immenses, mais comme il s’agit essentiellement de carbone, dont il existe en abondance, le diamant synthétisé artificiellement peut être fabriqué en quelques semaines plutôt qu’en milliards d’années, tout en produisant 100 fois moins. émission de dioxyde de carbone.
Dans ce travail, Bayram et Han montrent que leur dispositif en diamant peut supporter une haute tension, environ 5 kV, bien que la tension soit limitée par la configuration de la mesure et non par le dispositif lui-même. En théorie, l’appareil peut supporter jusqu’à 9 kV. Il s’agit de la tension la plus élevée signalée pour un appareil au diamant. Outre la tension de claquage la plus élevée, l’appareil présente également le courant de fuite le plus faible, ce qui peut être assimilé à un robinet qui fuit mais avec de l’énergie. Le courant de fuite affecte l’efficacité et la fiabilité globales de l’appareil.
Perspectives d’avenir
Han déclare : « Nous avons construit un dispositif électronique mieux adapté aux applications haute puissance et haute tension pour le futur réseau électrique et d’autres applications électriques. Et nous avons construit cet appareil sur un matériau à bande interdite ultra large, le diamant synthétique, qui promet une meilleure efficacité et de meilleures performances que les appareils de la génération actuelle. Espérons que nous continuerons à optimiser ce dispositif et d’autres configurations afin de pouvoir approcher les limites de performances du potentiel matériel du diamant.
Can Bayram est également affilié au laboratoire de micro et nanotechnologie Holonyak de l’UIUC.
