ซิลิคอนเป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่มีมากที่สุดในโลก และในรูปแบบที่บริสุทธิ์ วัสดุได้กลายเป็นรากฐานของเทคโนโลยีสมัยใหม่ส่วนใหญ่ ตั้งแต่เซลล์แสงอาทิตย์ไปจนถึงชิปคอมพิวเตอร์ แต่คุณสมบัติของซิลิกอนในฐานะเซมิคอนดักเตอร์นั้นยังห่างไกลจากอุดมคติ
ประการหนึ่ง แม้ว่าซิลิกอนจะช่วยให้อิเล็กตรอนเคลื่อนตัวผ่านโครงสร้างได้ง่าย แต่ก็รองรับ “รู” ได้น้อยกว่ามาก ซึ่งเป็นคู่หูที่มีประจุบวกของอิเล็กตรอน และการควบคุมทั้งสองอย่างมีความสำคัญสำหรับชิปบางประเภท ยิ่งไปกว่านั้น ซิลิคอนยังนำความร้อนได้ไม่ดีนัก ซึ่งเป็นสาเหตุที่ปัญหาเรื่องความร้อนสูงเกินไปและระบบระบายความร้อนที่มีราคาแพงเป็นเรื่องปกติในคอมพิวเตอร์
ขณะนี้ ทีมนักวิจัยที่ MIT มหาวิทยาลัยฮูสตัน และสถาบันอื่นๆ ได้ทำการทดลองโดยแสดงให้เห็นว่าวัสดุที่เรียกว่าคิวบิกโบรอนอาร์เซไนด์สามารถเอาชนะข้อจำกัดทั้งสองนี้ได้ ให้ความคล่องตัวสูงทั้งอิเล็กตรอนและรู และมีค่าการนำความร้อนที่ดีเยี่ยม นักวิจัยกล่าวว่าวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ดีที่สุดเท่าที่เคยพบมา และอาจดีที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
จนถึงตอนนี้ คิวบิกโบรอนอาร์เซไนด์เพิ่งถูกผลิตและทดสอบในชุดงานขนาดเล็กในห้องปฏิบัติการที่ไม่สม่ำเสมอ นักวิจัยต้องใช้วิธีการพิเศษที่พัฒนาขึ้นโดยอดีต MIT postdoc Bai Song เพื่อทดสอบพื้นที่ขนาดเล็กภายในวัสดุ จำเป็นต้องมีการทำงานมากขึ้นเพื่อตรวจสอบว่าคิวบิกโบรอนอาร์เซไนด์สามารถผลิตได้ในรูปแบบที่ใช้งานได้จริงและประหยัดหรือไม่ แทนที่ซิลิกอนที่แพร่หลายน้อยกว่ามาก นักวิจัยกล่าวว่าแม้ในอนาคตอันใกล้ วัสดุนี้สามารถใช้ประโยชน์บางอย่างได้ โดยที่คุณสมบัติเฉพาะตัวของวัสดุดังกล่าวจะสร้างความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญ
ผล การวิจัยได้รับการรายงานในวันนี้ในวารสารScienceในบทความของ MIT postdoc Jungwoo Shin และศาสตราจารย์ MIT ด้านวิศวกรรมเครื่องกล Gang Chen; Zhifeng Ren ที่มหาวิทยาลัยฮูสตัน; และคนอื่นๆ อีก 14 คนที่ MIT, University of Houston, University of Texas at Austin และ Boston College
การวิจัยก่อนหน้านี้ ซึ่งรวมถึงผลงานของ David Broido ซึ่งเป็นผู้ร่วมเขียนบทความฉบับใหม่ ได้คาดการณ์ในทางทฤษฎีว่าวัสดุดังกล่าวจะมีค่าการนำความร้อนสูง งานต่อมาพิสูจน์ว่าการทำนายโดยการทดลอง งานล่าสุดนี้เสร็จสิ้นการวิเคราะห์โดยยืนยันการทดลองทำนายโดยกลุ่มของ Chen ในปี 2018: ลูกบาศก์โบรอน arsenide จะมีความคล่องตัวสูงมากสำหรับทั้งอิเล็กตรอนและรู “ซึ่งทำให้วัสดุนี้มีเอกลักษณ์เฉพาะ” Chen กล่าว
การทดลองก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นว่าการนำความร้อนของคิวบิกโบรอนอาร์เซไนด์นั้นมากกว่าซิลิกอนเกือบ 10 เท่า “นั่นเป็นสิ่งที่น่าสนใจมากสำหรับการกระจายความร้อน” เฉินกล่าว พวกเขายังแสดงให้เห็นด้วยว่าวัสดุนั้นมีแถบรัดที่ดีมาก ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ให้ศักยภาพที่ดีเยี่ยมในการเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์
ตอนนี้ งานใหม่ได้เติมเต็มรูปภาพ แสดงให้เห็นว่าด้วยความคล่องตัวสูงสำหรับทั้งอิเล็กตรอนและรู โบรอน arsenide มีคุณสมบัติหลักทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ในอุดมคติ “นั่นสำคัญเพราะแน่นอนว่าในเซมิคอนดักเตอร์ เรามีประจุบวกและประจุลบเท่ากัน ดังนั้น หากคุณสร้างอุปกรณ์ คุณต้องการให้มีวัสดุที่ทั้งอิเล็กตรอนและรูเดินทางโดยมีความต้านทานน้อยกว่า” เฉินกล่าว
ซิลิคอนมีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่ดี แต่มีการเคลื่อนที่ของรูที่ไม่ดี และวัสดุอื่นๆ เช่น แกลเลียม อาร์เซไนด์ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับเลเซอร์ ในทำนองเดียวกันก็มีการเคลื่อนที่ที่ดีสำหรับอิเล็กตรอน แต่ไม่ใช่สำหรับรู
“ความร้อนกลายเป็นคอขวดที่สำคัญสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จำนวนมาก” ชิน ผู้เขียนนำของหนังสือพิมพ์กล่าว “ซิลิกอนคาร์ไบด์กำลังแทนที่ซิลิกอนสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังในอุตสาหกรรม EV หลัก ๆ ซึ่งรวมถึงเทสลา เนื่องจากมีการนำความร้อนสูงกว่าซิลิกอนถึง 3 เท่า แม้ว่าจะมีการเคลื่อนที่ทางไฟฟ้าต่ำกว่าก็ตาม ลองนึกภาพว่าโบรอน arsenides ทำอะไรได้บ้าง โดยมีค่าการนำความร้อนสูงกว่า 10 เท่า และคล่องตัวมากกว่าซิลิคอนมาก มันสามารถเป็นตัวเปลี่ยนเกมได้”
ชินกล่าวเสริมว่า “ก้าวสำคัญที่ทำให้การค้นพบครั้งนี้เป็นไปได้คือความก้าวหน้าในระบบตะแกรงเลเซอร์ที่เร็วมากที่ MIT” ซึ่งเริ่มพัฒนาโดย Song หากไม่มีเทคนิคดังกล่าว จะไม่สามารถแสดงให้เห็นถึงความคล่องตัวสูงของวัสดุสำหรับอิเล็กตรอนและรู
คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของคิวบิกโบรอนอาร์เซไนด์ถูกทำนายในขั้นต้นโดยอิงจากการคำนวณฟังก์ชันความหนาแน่นเชิงควอนตัมที่ทำโดยกลุ่มของเฉิน และขณะนี้การคาดคะเนเหล่านี้ได้รับการตรวจสอบผ่านการทดลองที่ดำเนินการที่ MIT โดยใช้วิธีการตรวจจับด้วยแสงกับตัวอย่างที่ทำโดย Ren และสมาชิกของ ทีมงานที่มหาวิทยาลัยฮูสตัน
นักวิจัยกล่าวว่า การนำความร้อนของวัสดุไม่เพียงแต่จะดีที่สุดในบรรดาเซมิคอนดักเตอร์เท่านั้น แต่ยังมีค่าการนำความร้อนที่ดีที่สุดเป็นอันดับสามของวัสดุใดๆ ถัดจากเพชรและลูกบาศก์โบรอนไนไตรด์ที่เสริมสมรรถนะด้วยไอโซโทป “และตอนนี้ เราทำนายพฤติกรรมทางกลของอิเล็กตรอนและโฮลควอนตัม จากหลักการแรก และนั่นก็ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นความจริง” เฉินกล่าว
“สิ่งนี้น่าประทับใจ เพราะจริง ๆ แล้วฉันไม่รู้จักวัสดุอื่นใดนอกจากกราฟีนที่มีคุณสมบัติทั้งหมดเหล่านี้” เขากล่าว “และนี่คือวัสดุจำนวนมากที่มีคุณสมบัติเหล่านี้”
เขากล่าวว่าความท้าทายในตอนนี้คือการหาวิธีที่ใช้งานได้จริงในการผลิตวัสดุนี้ในปริมาณที่ใช้งานได้ วิธีการในปัจจุบันในการผลิตวัสดุที่ไม่เท่ากัน ดังนั้นทีมจึงต้องหาวิธีทดสอบเฉพาะแผ่นแปะเล็กๆ ของวัสดุที่มีความสม่ำเสมอมากพอที่จะให้ข้อมูลที่เชื่อถือได้ ในขณะที่พวกเขาได้แสดงให้เห็นศักยภาพอันยิ่งใหญ่ของวัสดุนี้ “เราจะนำไปใช้จริงหรือที่ใด เราไม่รู้” เฉินกล่าว
“ซิลิคอนเป็นตัวขับเคลื่อนของอุตสาหกรรมทั้งหมด” เฉินกล่าว “เอาล่ะ เรามีวัสดุที่ดีกว่า แต่จริง ๆ แล้วมันจะชดเชยอุตสาหกรรมหรือไม่? เราไม่รู้” แม้ว่าวัสดุจะดูเหมือนเกือบจะเป็นเซมิคอนดักเตอร์ในอุดมคติก็ตาม “ไม่ว่าจะสามารถเข้าไปในอุปกรณ์และแทนที่ตลาดปัจจุบันบางส่วนได้หรือไม่ ฉันคิดว่ายังไม่ได้รับการพิสูจน์”
และในขณะที่คุณสมบัติทางความร้อนและทางไฟฟ้าได้รับการพิสูจน์แล้วว่าดีเยี่ยม แต่ยังมีคุณสมบัติอื่นๆ อีกมากมายของวัสดุที่ยังไม่ได้ทดสอบ เช่น ความเสถียรในระยะยาวของวัสดุ Chen กล่าว “ในการสร้างอุปกรณ์ มีปัจจัยอื่นๆ อีกมากมายที่เรายังไม่รู้”
เขาเสริมว่า “สิ่งนี้อาจมีความสำคัญจริงๆ และผู้คนไม่ได้สนใจเนื้อหานี้เลยด้วยซ้ำ” ตอนนี้คุณสมบัติที่ต้องการของโบรอน arsenide ชัดเจนขึ้นแล้ว โดยบอกว่าวัสดุนี้เป็น “สารกึ่งตัวนำที่ดีที่สุดในหลาย ๆ ด้าน” เขากล่าว “อาจจะได้รับความสนใจมากขึ้นจากวัสดุนี้”
สำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ Ren กล่าวว่า “ความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ประการหนึ่งคือวิธีการผลิตและการทำให้คิวบิกโบรอนอาร์เซไนด์บริสุทธิ์พอๆ กับซิลิคอน … ซิลิคอนใช้เวลาหลายทศวรรษกว่าจะได้มงกุฎ โดยมีความบริสุทธิ์มากกว่า 99.99999999 เปอร์เซ็นต์ หรือ ’10 เก้า’ สำหรับการผลิตจำนวนมากในปัจจุบัน”
เพื่อให้สามารถใช้งานได้จริงในตลาด Chen กล่าวว่า “จำเป็นต้องมีผู้คนจำนวนมากขึ้นในการพัฒนาวิธีการต่างๆ ในการผลิตวัสดุที่ดีขึ้นและแสดงลักษณะเฉพาะ” ไม่ว่าเงินทุนที่จำเป็นสำหรับการพัฒนาดังกล่าวจะมีอยู่หรือไม่ก็ตาม เขากล่าว
การวิจัยได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานวิจัยกองทัพเรือสหรัฐฯ และใช้สิ่งอำนวยความสะดวกของสิ่งอำนวยความสะดวกในการทดลองร่วมของ MRSEC ของ MIT ซึ่งได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ
