Inom kraftelektronik, halvledare är baserade på elementet kisel - men energieffektiviteten för kiselkarbid skulle vara mycket högre. Fysiker vid universitetet i Basel, Paul Scherrer Institute och ABB förklarar vad som hindrar användningen av denna kombination av kisel och kol i den vetenskapliga tidskriften Tillämpad fysikbokstäver .

Energiförbrukningen ökar över hela världen, och hållbara energiförsörjningar som vind- och solkraft blir allt viktigare. Elkraft, dock, genereras ofta långt bort från konsumenten. Effektiva distributions- och transportsystem är alltså lika avgörande som transformatorstationer och effektomvandlare som gör den genererade likströmmen till växelström.

Stora besparingar är möjliga

Modern kraftelektronik måste kunna hantera stora strömmar och höga spänningar. Nuvarande transistorer gjorda av halvledarmaterial för fälteffekttransistorer är nu huvudsakligen baserade på kiselteknik. Betydande fysiska och kemiska fördelar, dock, uppstå från användning av SiC över kisel:förutom en mycket högre värmebeständighet, detta material ger betydligt bättre energieffektivitet, vilket kan leda till stora besparingar.

Det är känt att dessa fördelar äventyras avsevärt av defekter vid gränsytan mellan kiselkarbid och isoleringsmaterialet kiseldioxid. Denna skada är baserad på små, oregelbundna kluster av kolringar bundna i kristallgitteret, som experimentellt visat av forskare ledda av professor Thomas Jung vid Swiss Nanoscience Institute och Department of Physics från University of Basel och Paul Scherrer Institute. Med hjälp av atomkraftmikroskopanalys och Raman -spektroskopi, de visade att defekterna genereras i närheten av gränssnittet genom oxidationsprocessen.

Experimentellt bekräftat

De störande kolklustren, som bara är några nanometer stora, bildas under oxidationsprocessen av kiselkarbid till kiseldioxid under höga temperaturer. "Om vi ​​ändrar vissa parametrar under oxidation, vi kan påverka förekomsten av defekter, "säger doktoranden Dipanwita Dutta. Till exempel, en lustgasatmosfär i uppvärmningsprocessen leder till betydligt färre kolkluster.

De experimentella resultaten bekräftades av teamet som leddes av professor Stefan Gödecker vid Institutionen för fysik och Swiss Nanoscience Institute från University of Basel. Datorsimuleringar bekräftade de strukturella och kemiska förändringar som induceras av grafitiska kolatomer som observerats experimentellt. Utöver experiment, atomistisk insikt har erhållits i genereringen av defekterna och deras inverkan på elektronflödet i halvledarmaterialet.

Bättre användning av el

"Våra studier ger viktig insikt för att driva den vidare utvecklingen av fälteffekttransistorer baserade på kiselkarbid. Därför förväntar vi oss att ge ett betydande bidrag till en effektivare användning av elkraft, "kommenterar Jung. Arbetet inleddes som en del av Nano Argovia -programmet för tillämpade forskningsprojekt.