Elması Metale Dönüştürmek – Gelişmiş Güneş Pilleri, LED’ler ve Güç Elektroniği

12
Elmas - Nano Ölçekli İğnelerin Elektronik Özellikleri

Normalde bir yalıtkan olan elmas, yeni bir teorik modelde büyük gerilime maruz kaldığında metalik bir iletken haline gelir.

Uzun zamandır tüm doğal malzemelerin en sertleri olarak bilinen elmaslar, aynı zamanda olağanüstü termal iletkenler ve elektrik yalıtkanlarıdır. Şimdi, araştırmacılar, küçük elmas iğneleri kontrollü bir şekilde elektronik özelliklerine dönüştürmenin bir yolunu keşfettiler, bu da onları iletken olmayandan yarı iletkene, yüksek iletkenliğe veya metalik hale getirmeye başladı. Bu, dinamik olarak indüklenebilir ve isteğe bağlı olarak elmas malzemede herhangi bir bozulma olmaksızın tersine çevrilebilir.

Araştırmacılar hala erken bir kavram kanıtı aşamasında olsalar da, yeni tip geniş bant güneş pilleri, yüksek verimli LED’ler ve güç elektroniği ve yeni optik cihazlar veya kuantum sensörleri dahil olmak üzere çok çeşitli potansiyel uygulamaları açabilirler.

Elması Metale Dönüştürmek - Gelişmiş Güneş Pilleri, LED'ler ve Güç Elektroniği 1

Simülasyonlara, hesaplamalara ve önceki deneysel sonuçlara dayanan bulguları, 5 Ekim 2020’de Proceedings of the National Academy of Sciences’da yayınlandı. Makale MIT Profesörü Ju Li ve lisansüstü öğrencisi Zhe Shi; Baş Araştırma Bilimcisi Ming Dao; Singapur’daki Nanyang Teknoloji Üniversitesi’nin başkanı ve aynı zamanda eski mühendislik dekanı ve MIT’de emekli Vannevar Bush Profesörü olan Profesör Subra Suresh; ve Moskova’daki Skolkovo Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nden Evgenii Tsymbalov ve Alexander Shapeev.

Ekip, uzun zamandır bir olasılık olarak teorize edilen olgunun aslında nano ölçekli elmaslarda meydana gelebileceğini göstermek için kuantum mekanik hesaplamalar, mekanik deformasyon analizi ve makine öğreniminin bir kombinasyonunu kullandı.

Performansını artırmak için silikon gibi yarı iletken bir malzemenin gerilmesi kavramı, mikroelektronik endüstrisinde yirmi yıldan daha uzun bir süre önce uygulamalar buldu. Bununla birlikte, bu yaklaşım yaklaşık yüzde 1’lik küçük türler gerektirdi. Li ve ortakları elastik gerinim mühendisliği kavramını geliştirmek için yıllarını harcadılar. Bu, malzemelerin elektriksel, optik, termal ve diğer özelliklerinde basit bir şekilde deforme ederek önemli değişikliklere neden olma yeteneğine dayanmaktadır – bunları orta ila büyük mekanik gerilim altına sokarak, kristal kafesindeki atomların geometrik düzenini değiştirmeye yetecek kadar ama o kafesi kırmadan.

Elması Metale Dönüştürmek - Gelişmiş Güneş Pilleri, LED'ler ve Güç Elektroniği 2
Elmas – Nano Ölçekli İğnelerin Elektronik Özellikleri

Hong Kong Şehir Üniversitesi’nden Suresh, Dao ve Yang Lu liderliğindeki bir ekip, 2018’de büyük bir ilerlemede, sadece birkaç yüz nanometre çapındaki küçük elmas iğnelerin, oda sıcaklığında kırılmadan büyük gerilime eğilebileceğini gösterdi. . Bu nanoneedleri defalarca bükerek yüzde 10’a varan bir gerilme gerilimine sahip oldular; İğneler daha sonra bozulma olmadan orijinal şekillerine dönebilir.

Bu çalışmanın anahtarı, esasen elektronların bir malzeme içinde ne kadar kolay hareket edebileceğini belirleyen, bant aralığı olarak bilinen bir özelliktir. Dolayısıyla bu özellik, malzemenin elektriksel iletkenliğinin anahtarıdır. Elmas normalde 5,6 elektron voltluk çok geniş bir bant genişliğine sahiptir, yani elektronların kolayca hareket etmediği güçlü bir elektrik yalıtkanıdır. Araştırmacılar, son simülasyonlarında, elmasın bant boşluğunun kademeli, sürekli ve tersine çevrilerek değiştirilebileceğini ve izolatörden yarı iletkene ve metale kadar çok çeşitli elektriksel özellikler sağladığını gösteriyor.

Li, “Bant aralığını 5,6 elektron volttan tamamen sıfıra indirmenin mümkün olduğunu bulduk” diyor. “Bunun amacı, 5,6’dan 0 elektron volta kadar sürekli olarak değişebiliyorsanız, tüm bant genişliğini kaplamış oluyorsunuz. Gerinim mühendisliği sayesinde, elmasın LED’ler için kullanılan yarı iletken veya galyum nitrür olarak en yaygın kullanılan silikon bant aralığına sahip olmasını sağlayabilirsiniz. Hatta onu bir kızılötesi dedektöre dönüştürebilir veya kızılötesinden spektrumun ultraviyole kısmına kadar geniş bir ışık aralığını tespit edebilirsiniz. “

Elması Metale Dönüştürmek - Gelişmiş Güneş Pilleri, LED'ler ve Güç Elektroniği 3
Elmas – Nano Ölçekli İğnelerin Elektronik Özellikleri

Suresh, “Kimyasal bileşimini ve kararlılığını değiştirmeden elmastaki elektriksel iletkenliği tasarlama ve tasarlama yeteneği, işlevlerini özel olarak tasarlamak için benzersiz bir esneklik sunuyor” diyor. “Bu yazıda gösterilen yöntemler, mekanik, mikroelektronik, biyomedikal, enerji ve fotonik uygulamalarında çok çeşitli teknolojik açıdan ilginç diğer yarı iletken malzemelere gerilim mühendisliği yoluyla uygulanabilir.”

Bu nedenle, örneğin, bir gerilim gradyanı ile bükülmüş tek bir küçük elmas parçası, tüm ışık frekanslarını tek bir cihazda yakalayabilen bir güneş pili haline gelebilir – şu anda yalnızca farklı türdeki güneş pili malzemelerini farklı soğurmayı birleştirmek için tandem aracılığıyla kullanılabilir. bantlar. katmanlar halinde bir araya getirilen cihazlar. Bunlar bir gün endüstriyel veya bilimsel uygulamalar için geniş spektrumlu fotodetektörler olarak kullanılabilir.

Sadece doğru miktarda gerilimi değil, aynı zamanda elmasın kristal kafesinin doğru oryantasyonunu da gerektiren bir kısıtlama, stresin atomik konfigürasyonun bir devrilme noktasından geçmesine ve kurşun kalemlerde kullanılan yumuşak malzeme olan grafite dönüşmesine neden olmasını önlemekti.

İşlem ayrıca, amaçlanan uygulamaya bağlı olarak elması “doğrudan” veya “dolaylı” bant aralıklı yarı iletkenler olmak üzere iki tür yarı iletken haline getirebilir. Örneğin, güneş pilleri için doğrudan bant genişliği, ışıktan çok daha verimli enerji hasadı sağlar ve dolaylı bant genişliği, bir fotonun enerjisini toplamak için çok daha uzun bir yol gerektiren silikon gibi malzemelerden çok daha ince olmalarını sağlar.

Elması Metale Dönüştürmek - Gelişmiş Güneş Pilleri, LED'ler ve Güç Elektroniği 4
Elmas – Nano Ölçekli İğnelerin Elektronik Özellikleri

Li, sürecin bir elmasta kusurları ve katkı atomlarını kullanan oldukça hassas kuantum tabanlı dedektörler gibi çok çeşitli potansiyel uygulamalarla ilgili olabileceğini öne sürüyor. “Voltajı kullanarak, bu nokta kusurlarının emisyon ve soğurma seviyelerini kontrol edebiliriz,” diyor ve elektronik ve nükleer kuantum durumlarını kontrol etmenin yeni yollarına izin veriyor.

Bununla birlikte, gerinim varyasyonlarının farklı boyutlarının mümkün kıldığı çok çeşitli koşullar göz önüne alındığında, Li, “Aklımızda belirli bir uygulama varsa, onu bu uygulama hedefi için optimize edebiliriz. Ve elastik yamulma yaklaşımının güzel yanı dinamik olmasıdır, bu nedenle gerektiğinde gerçek zamanlı olarak sürekli değiştirilebilir.

Araştırmacılar, bu erken aşamadaki kavram kanıtı çalışmasının henüz pratik cihazlar tasarlamaya başlayabilecekleri noktada olmadığını söylüyorlar, ancak devam eden araştırmalarla, kısmen yapılan umut verici çalışma nedeniyle pratik uygulamaların mümkün olacağını umuyorlar. homojen elmas malzemelerin büyümesi konusunda dünya çapında.

Kaynak: Zhe Shi, Ming Dao, Evgenii Tsymbalov, Alexander Shapeev, Ju Li ve Subra Suresh, “Elmasın metalizasyonu”, 5 Ekim 2020, Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri.


YORUM YAP

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz