گجت نیوز آخرین اخبار تکنولوژی، علم و خودرو 
بر اساس نتایج تحقیقات اخیر، بور آرسنید مکعبی با خواص الکتریکی و حرارتی فوق‌العاده خود، بهترین نیمه هادی جهان است. آیا این ساختار قادر به اتمام سلطه سیلیکون بر بازار نیمه رساناها خواهد بود؟
سیلیکون یکی از فراوان‌ترین عناصر روی کره زمین است. این ماده نیمه رسانا در خالص‌ترین فرم خود تبدیل به پایه اصلی بخش بزرگی از تکنولوژی‌های مدرن مانند چیپ‌های کامپیوتری میکروالکترونیکی و سلول‌های خورشیدی شده است.
البته مشخصات سیلیکون به عنوان یک نیمه هادی اصلا ایده‌آل نیست. با اینکه سیلیکون به خوبی الکترون‌ها را از درون ساختار خود هدایت می‌کند، تمایل چندانی به هدایت حفره‌ها ( نقطه مقابل الکترون‌ها که بار الکتریکی مثبت دارند) نشان نمی‌دهد. به این ترتیب سیلیکون برای برخی کاربردها که نیازمند انتقال هر دو است، عملکرد چندان مناسبی ندارد.
علاوه بر این، سیلیکون عملکرد انتقال حرارت چندان مناسبی ندارد. در حقیقت دلیل داغ کردن بیش از حد پردازنده‌ها و استفاده از سیستم‌های خنک‌کننده گران قیمت هم همین انتقال حرارت ضعیف سیلیکون است.
بور آرسنید مکعبی، بهترین نیمه هادی جهان و جایگزین فوق‌العاده سیلیکون
به تازگی گروهی از محققان دانشگاه MIT، دانشگاه هوستون و برخی دیگر از موسسات تحقیقاتی آمریکا با انجام آزمایشاتی ثابت کرده‌اند که ساختار بور آرسنید مکعبی قادر به رفع هر دو مشکل سیلیکون است و می‌تواند به عنوان بهترین نیمه هادی جهان شناخته شود.
این ساختار علاوه بر اینکه هم الکترون‌ها و هم حفره‌ها را به خوبی عبور می‌دهد، ضریب انتقال حرارت بالایی هم دارد و تا کنون عملکرد بسیار بهتری در مقایسه با اکثر نیمه رساناهای جهان ارائه داده است.
بور آرسنید مکعبی تا به امروز تنها در ابعاد کوچک آزمایشگاهی ناهمگن تست شده و محققان برای انجام آزمایش بر روی نواحی کوچک این ساختار مجبور به استفاده از روشی شدند که پیش از این توسط پژوهشگر پسادکتری دانشگاه MIT، بای سانگ، طراحی شده بود. البته هنوز آزمایشات بسیاری نیاز است تا مشخص شود آیا این ساختار می‌تواند در فرمی مناسب مورد استفاده تجاری قرار گیرد و جایگزین سیلیکون شود یا خیر. با این وجود، اکثر محققان معتقدند که در آینده نزدیک، بور آرسنید مکعبی می‌تواند به دلیل ویژگی‌های خاصی که دارد، استفاده فراوانی پیدا کند.
نتایج آزمایشات انجام شده بر روی این ساختار برای نخستین بار در تاریخ 21 جولای 2022 در ژورنال فوق‌العاده معتبر Science چاپ شد. نویسندگان این مقاله، جونگوو شین، پژوهشگر پسادکتری دانشگاه MIT، گانگ چن، استاد مهندسی مکانیک این دانشگاه و چهارده نفر دیگر از دانشگاه‌های هوستون، آستین تگزاس و کالج بوستون بودند.
تحقیقات پیشین در این زمینه، به صورت تئوری ضریب انتقال حرارت بالای بور آرسنید مکعبی را پیش‌بینی کرده بودند. همچنین آزمایشاتی که کمی بعد بر روی این ساختار انجام شد نیز پیش‌بینی‌های تئوری را تایید کرد. با این حال جدیدترین یافته‌های چن به طور کامل مشخصات بور آرسنید مکعبی را تعیین کردند. به گفته او، این ساختار منحصربفرد قابلیت انتقال بسیار عالی الکترون‌ها و حفره‌ها را دارد.
همچنین بر اساس نتایج آزمایشاتی که پیش از این انجام شده بود، ثابت انتقال حرارت بور آرسنید مکعبی تقریبا ده برابر بیشتر از سیلیکون است که آن را به گزینه‌ای فوق‌العاده برای دفع حرارت تبدیل می‌کند. این ساختار همچنین گاف فرکانسی بسیار خوبی هم دارد که ارزش آن برای استفاده به عنوان نیمه رسانا را چند برابر می‌کند.
تحقیقات اخیر انجام شده همچنین به طور حتمی تایید می‌کند که بور آرسنیک مکعبی قابلیت انتقال فوق‌العاده‌ای برای الکترون‌ها و حفره‌ها دارد و بر این اساس تمام فاکتورهای لازم برای تبدیل شدن به بهترین نیمه هادی جهان را داراست. چن، این قابلیت را بسیار کلیدی می‌خواند؛ چرا که در نیمه رساناها بارهای مثبت و منفی به یک میزان حضور دارند و اگر قصد داشته باشیم ساختاری نیمه هادی را طراحی کنیم، باید مطمئن شویم که بارهای مثبت و منفی هر دو به طور یکسان و بدون مقاومت چندان بالا منتقل می‌شوند.
از طرف دیگر، سیلیکون، همان طور که اشاره شد، انتقال الکترون‌ها را به خوبی انجام می‌دهد؛ اما در انتقال حفره‌ها عملکرد چندان خوبی ندارد. به طور مشابه، مواد دیگری چون گالیم آرسنید که بیشتر در لیزرها استفاده می‌شوند هم الکترون‌ها را به خوبی منتقل می‌کنند، اما حفره‌ها را خیر!
در حال حاضر بسیاری کمپانی‌های فعال در صنعت الکترونیک نظیر تسلا از سیلیکون کاربید (SiC) به جای سیلیکون استفاده می‌کنند. با اینکه انتقال الکترون سیلیکون کاربید ضعیف‌تر از سیلیکون است، ضریب انتقال حرارت آن سه برابر بیشتر است. با این وجود، بور آرسنید با ارائه ضریب انتقال حرارت ده برابر بیشتر از سیلیکون و البته انتقال بهتر الکترون و حفره می‌تواند کل صنعت نیمه رساناها را دگرگون کند!
شین همچنین سیستم‌های لیزری فوق سریع پیشرفته دانشگاه MIT را عامل اصلی این کشف خود دانست. به گفته او بدون این تکنولوژی، امکان تعیین آزمایشگاهی مشخصات بور آرسنید مکعبی و تایید یافته‌های تئوری فراهم نمی‌شد.
مشخصات الکترونیکی این ساختار در ابتدا از طریق محاسبات تابع چگالی مکانیک کوانتومی در گروه دکتر چن در دانشگاه MIT انجام شده بود. با این حال، یافته‌های تئوری با استفاده از روش‌های تشخیص نوری در دانشگاه MIT به طور آزمایشگاهی به تایید رسیدند. در این میان تیمی از دانشگاه هوستون وظیفه ساخت نمونه مورد آزمایش را بر عهده داشتند.
بنا به ادعای محققین، بور آرسنید مکعبی نه تنها بیشترین ضریب رسانایی حرارتی در میان تمامی نیمه هادی‌ها را دارد؛ بلکه پس از الماس و ساختاری خاص از بور نیترید، سومین میزان رسانش حرارتی در میان تمامی مواد موجود در طبیعت را در اختیار دارد. این ضریب رسانایی حرارت و توانایی در انتقال الکترون‌ها و حفره‌ها در میان تمامی موارد دیگر سرآمد است و تنها گرافین تا کنون چنین مشخصاتی را از خود بروز داده است.
آیا بور آرسنید مکعبی قابلیت استفاده در صنعت را دارد؟
در حال حاضر چالش اصلی پیرامون این ساختار، پیدا کردن راهکارهایی برای تولید این ماده در ابعاد قابل استفاده در صنعت نیمه رساناهاست. روش‌های کنونی تولید، همگی منجر به ساخت موادی بسیار ناهمگن می‌شوند؛ بنابراین تیم آزمایش‌کننده بر روی آن ناچار به تست کردن ذرات کوچکی از ساختار بود که به اندازه کافی همگن باشند تا نتایج آزمایش بر روی آن‌ها قابل اتکا باشد. علیرغم اینکه نتایج آزمایش‌های انجام شده بسیار مثبت بوده‌اند، اما در حال حاضر مشخص نیست که می‌توان از بور آرسنید مکعبی استفاده تجاری کرد یا خیر؟
به گفته چن، با اینکه بور آرسنید نیمه رسانای بهتری در مقایسه با سیلیکون است، هنوز نمی‌توان در خصوص این که آیا امکان جایگزینی سیلیکون با این ساختار در صنعت نیمه هادی‌ها وجود دارد یا خیر اظهار نظر کرد. علاوه بر این، با اینکه خواص الکتریکی و حرارتی این ساختارها فوق‌العاده هستند، سایر ویژگی‌های آن مانند پایداری در بلند مدت هنوز مورد آزمایش قرار نگرفته‌اند. بنابراین هنوز نمی‌توان این ماده را به طور قاطع جایگزین سیلیکون معرفی کرد.
البته یکی از دلایلی که تا به امروز توجه زیادی به بور آرسنید نمی‌شد، عدم اطمینان از ویژگی‌های حرارتی و الکتریکی آن بوده است. با این حال، اکنون که این دسته مشخصات این ساختار به طور آزمایشگاهی ثابت شده‌اند، مسلما محققان توجه بیشتری به این ساختار خواهند داشت و این مساله می‌تواند به نوعی روند استفاده تجاری از آن را تسریع کند.
همچنین یکی دیگر از چالش‌های استفاده تجاری از بور آرسنید، تولید آن در خلوص هم تراز با سیلیکون مورد استفاده در صنعت است. سیلیکون پس از چندین دهه تحقیق و پژوهش سرانجام توانست به درصد خلوص 99.99999999 رسیده و در صنعت نیمه رساناها مورد استفاده قرار گیرد.
با همه این اوصاف، نکته مهم این است که بور آرسنید مکعبی پتانسیل این را دارد که به بهترین نیمه هادی جهان تبدیل شود. مشخصات این ساختار دیر یا زود منجر به استفاده تجاری از آن خواهد شد. بنابراین احتمالا در آینده شاهد انقلابی در صنعت نیمه رساناها خواهیم بود.