O desenvolvimento de um dispositivo semicondutor de diamante de alto desempenho pela Universidade de Illinois Urbana-Champaign representa um passo significativo para atender à crescente demanda de eletricidade e alcançar a neutralidade de carbono até 2050. Este avanço na tecnologia de diamante oferece maior capacidade de tensão e menor corrente de fuga, superando o silício tradicional semicondutores baseados em . Crédito: SciTechDaily.com
Os investigadores desenvolveram um dispositivo semicondutor feito de diamante, oferecendo uma solução promissora para alcançar a neutralidade de carbono até 2050. Este dispositivo apresenta a maior tensão de ruptura e a menor corrente de fuga em comparação com os dispositivos de diamante existentes, marcando um avanço significativo no processo de electrificação.
Para atingir o objetivo mundial de neutralidade carbónica até 2050, deve haver uma mudança fundamental nos materiais eletrónicos para criar uma rede elétrica mais fiável e resiliente. Um diamante pode ser o melhor amigo de uma rapariga, mas também pode ser a solução necessária para sustentar a electrificação da sociedade necessária para alcançar a neutralidade carbónica nos próximos 30 anos. Pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign desenvolveram um dispositivo semicondutor feito de diamante, que possui a maior tensão de ruptura e a menor corrente de fuga em comparação com dispositivos de diamante relatados anteriormente. Tal dispositivo permitirá tecnologias mais eficientes, necessárias à medida que o mundo faz a transição para as energias renováveis.
A crescente demanda por eletricidade
Estima-se que atualmente 50% da eletricidade mundial seja controlada por dispositivos de energia e, em menos de uma década, espera-se que esse número aumente para 80%, ao mesmo tempo que a procura de eletricidade aumentará 50% em 2050.
De acordo com um novo relatório das Academias Nacionais de Ciências, Engenharia e Medicina: “Talvez o maior perigo tecnológico para uma transição energética bem-sucedida seja o risco de a nação não conseguir localizar, modernizar e construir a rede elétrica. Sem uma maior capacidade de transmissão, a implantação de energias renováveis seria adiada e o resultado líquido poderia ser, pelo menos, um aumento temporário nas emissões de combustíveis fósseis, impedindo a nação de atingir os seus objectivos de redução de emissões.”
Dispositivo semicondutor de diamante (4 mm x 4 mm de tamanho). Crédito: Grainger College of Engineering da Universidade de Illinois Urbana-Champaign
“Para atender a essas demandas de eletricidade e modernizar a rede elétrica, é muito importante que nos afastemos dos materiais convencionais, como o silício, para os novos materiais que vemos sendo adotados hoje, como o carboneto de silício e a próxima geração de semicondutores—materiais de bandgap ultralargos — como nitreto de alumínio, diamante e compostos relacionados”, diz professor de engenharia elétrica e de computação Pode Bayram, que liderou esta pesquisa, juntamente com o estudante de graduação Zhuoran Han. O resultados deste trabalho foram publicados na revista IEEE Electron Device Letters.
Semicondutores: além do silício
A maioria dos semicondutores é construída com silício e, até agora, atendeu às necessidades elétricas da sociedade. Mas, como salienta Bayram: “Queremos ter a certeza de que temos recursos suficientes para todos, enquanto as nossas necessidades evoluem. Neste momento, estamos a utilizar cada vez mais largura de banda, estamos a criar mais dados (que também vêm com mais armazenamento) e estamos a utilizar mais energia, mais eletricidade e mais energia em geral. A questão é: existe uma forma de tornar tudo isto mais eficiente, em vez de gerar mais energia e construir mais centrais eléctricas?”
A superioridade dos semicondutores de diamante
O diamante é um semicondutor de gap ultralargo com a mais alta condutividade térmica, que é a capacidade de um material de transferir calor. Devido a essas propriedades, os dispositivos semicondutores de diamante podem operar em tensões e correntes muito mais altas (com menos material) e ainda dissiparão o calor sem causar redução no desempenho elétrico, em comparação com materiais semicondutores tradicionais como o silício. “Para ter uma rede elétrica onde é necessária alta corrente e alta tensão, o que torna tudo mais eficiente para aplicações como painéis solares e turbinas eólicas, então precisamos de uma tecnologia que não tenha limite térmico. É aí que entra o diamante”, diz Bayram.
Embora muitas pessoas associem o diamante a joias caras, o diamante pode ser produzido de forma mais acessível e sustentável no laboratório, tornando-o uma alternativa viável e importante aos semicondutores. O diamante natural é formado nas profundezas da superfície da Terra, sob imensa pressão e calor, mas como é essencialmente apenas carbono – do qual existe uma abundância – o diamante sintetizado artificialmente pode ser feito em semanas, em vez de bilhões de anos, ao mesmo tempo que produz 100 vezes menos emissões de carbono.
Neste trabalho, Bayram e Han mostram que seu dispositivo de diamante pode sustentar alta tensão, aproximadamente 5 kV, embora a tensão fosse limitada pela configuração da medição e não pelo próprio dispositivo. Em teoria, o dispositivo pode sustentar até 9 kV. Esta é a tensão mais alta relatada para um dispositivo de diamante. Além da maior tensão de ruptura, o dispositivo também apresenta a menor corrente de fuga, que pode ser considerada como uma torneira vazando, mas com energia. A corrente de fuga afeta a eficiência geral e a confiabilidade do dispositivo.
Perspectivas futuras
Han diz: “Construímos um dispositivo eletrônico mais adequado para aplicações de alta potência e alta tensão para a futura rede elétrica e outras aplicações de energia. E construímos este dispositivo em um material bandgap ultralargo, diamante sintético, que promete melhor eficiência e melhor desempenho do que os dispositivos da geração atual. Esperamos continuar otimizando este dispositivo e outras configurações para que possamos nos aproximar dos limites de desempenho do potencial do material do diamante.”
Referência: “Diodos de barreira Schottky lateral tipo p diamante com alta tensão de ruptura (4612 V a 0,01 mA/Mm)” por Zhuoran Han e Can Bayram, outubro de 2023, Letras de dispositivos eletrônicos IEEE.
DOI: 10.1109/LED.2023.3310910
Can Bayram também é afiliado do Laboratório de Micro e Nano Tecnologia Holonyak da UIUC.
