Pour atteindre l’objectif mondial de neutralité carbone d’ici 2050, une transformation fondamentale des matériaux électroniques est nécessaire afin de créer un réseau électrique plus fiable et résilient. Le diamant, bien plus qu’un simple joyau, pourrait être la solution pour soutenir l’électrification de la société nécessaire pour atteindre la neutralité carbone dans les 30 prochaines années.
Un semi-conducteur en diamant prometteur
Des chercheurs de l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign ont mis au point un dispositif semi-conducteur fabriqué à partir de diamant, qui présente la plus haute tension de claquage et le courant de fuite le plus faible par rapport aux dispositifs en diamant précédemment rapportés. Un tel dispositif permettra de développer des technologies plus efficaces nécessaires à mesure que le monde se tourne vers les énergies renouvelables.
On estime qu’à l’heure actuelle, 50 % de l’électricité mondiale est contrôlée par des dispositifs électriques et, dans moins d’une décennie, on s’attend à ce que ce chiffre atteigne 80 %, alors que, dans le même temps, la demande d’électricité augmentera de 50 % d’ici à 2050.
Au-delà du silicium
La plupart des semi-conducteurs sont construits à l’aide de silicium et ont jusqu’à présent répondu aux besoins électriques de la société. Cependant, comme le souligne le professeur Can Bayram, qui a dirigé cette recherche, « nous voulons nous assurer que nous avons suffisamment de ressources pour tout le monde, alors que nos besoins évoluent. Actuellement, nous utilisons de plus en plus de bande passante, nous créons plus de données (ce qui nécessite également plus de stockage), et nous utilisons plus d’énergie en général. La question est : existe-t-il un moyen de rendre tout cela plus efficace, plutôt que de générer plus d’énergie et de construire plus de centrales électriques ? »
Pourquoi le diamant ?
Le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite avec la plus haute conductivité thermique, c’est-à-dire la capacité d’un matériau à transférer de la chaleur. Grâce à ces propriétés, les dispositifs semi-conducteurs en diamant peuvent fonctionner à des tensions et des courants beaucoup plus élevés (avec moins de matériau) et dissiperont toujours la chaleur sans provoquer de réduction des performances électriques, par rapport aux matériaux semi-conducteurs traditionnels comme le silicium.
« Pour avoir un réseau électrique où vous avez besoin de courant et de tension élevés, ce qui rend tout plus efficace pour des applications telles que les panneaux solaires et les éoliennes, alors nous avons besoin d’une technologie qui n’a pas de limite thermique. C’est là que le diamant entre en jeu », explique le Pr. Bayram.
Le diamant, une alternative viable et importante
Bien que beaucoup de gens associent le diamant à des bijoux coûteux, le diamant peut être fabriqué de manière plus abordable et durable en laboratoire, ce qui en fait une alternative semi-conductrice viable et importante.
Le diamant naturel se forme en profondeur sous la surface de la Terre sous une pression et une chaleur immenses, mais comme il est essentiellement constitué de carbone – dont il existe une abondance – le diamant synthétisé artificiellement peut être fabriqué en quelques semaines plutôt qu’en milliards d’années, tout en produisant 100 fois moins d’émissions de carbone.
En synthèse
Le travail du Pr. Bayram et de son étudiant diplômé Zhuoran Han démontre que leur dispositif en diamant peut supporter une haute tension, environ 5 kV, bien que la tension ait été limitée par la configuration de mesure et non par le dispositif lui-même. En théorie, le dispositif peut supporter jusqu’à 9 kV. C’est la tension la plus élevée rapportée pour un dispositif en diamant. Outre la plus haute tension de claquage, le dispositif démontre également le courant de fuite le plus faible, qui peut être considéré comme une fuite d’énergie. Le courant de fuite affecte l’efficacité globale et la fiabilité du dispositif.
« Nous avons construit un dispositif électronique mieux adapté pour des applications de haute puissance et de haute tension pour le futur réseau électrique et d’autres applications de puissance. Et nous avons construit ce dispositif sur un matériau à large bande interdite, le diamant synthétique, qui promet une meilleure efficacité et de meilleures performances que les dispositifs de génération actuelle. Nous espérons continuer à optimiser ce dispositif et d’autres configurations afin que nous puissions approcher les limites de performance du potentiel matériel du diamant », conclut de son côté
« Nous avons construit un dispositif électronique mieux adapté pour des applications de haute puissance et de haute tension pour le futur réseau électrique et d’autres applications de puissance. Et nous avons construit ce dispositif sur un matériau à large bande interdite, le diamant synthétique, qui promet une meilleure efficacité et de meilleures performances que les dispositifs de génération actuelle. Nous espérons continuer à optimiser ce dispositif et d’autres configurations afin que nous puissions approcher les limites de performance du potentiel matériel du diamant », conclut de son côté Zhuoran Han.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un semi-conducteur en diamant ?
Un semi-conducteur en diamant est un dispositif électronique fabriqué à partir de diamant. Il présente une haute tension de claquage et un faible courant de fuite, ce qui le rend idéal pour les technologies plus efficaces nécessaires à mesure que le monde se tourne vers les énergies renouvelables.
Pourquoi le diamant est-il un matériau prometteur pour les semi-conducteurs ?
Le diamant est un semi-conducteur à large bande interdite avec la plus haute conductivité thermique. Il peut fonctionner à des tensions et des courants beaucoup plus élevés et dissiper la chaleur sans réduction des performances électriques, contrairement aux matériaux semi-conducteurs traditionnels comme le silicium.
Comment le diamant peut-il être fabriqué de manière plus abordable et durable ?
Le diamant peut être synthétisé artificiellement en laboratoire en quelques semaines plutôt qu’en milliards d’années, tout en produisant 100 fois moins d’émissions de carbone que le diamant naturel.
Quelle est la tension maximale qu’un dispositif en diamant peut supporter ?
En théorie, un dispositif en diamant peut supporter jusqu’à 9 kV, ce qui est la tension la plus élevée rapportée pour un dispositif en diamant.
Qu’est-ce que le courant de fuite et comment affecte-t-il le dispositif en diamant ?
Le courant de fuite peut être considéré comme une fuite d’énergie. Il affecte l’efficacité globale et la fiabilité du dispositif. Le dispositif en diamant démontre le courant de fuite le plus faible parmi les dispositifs en diamant précédemment rapportés.
Principaux enseignements
| Enseignements |
|---|
| Le diamant est un matériau prometteur pour les semi-conducteurs. |
| Les semi-conducteurs en diamant peuvent fonctionner à des tensions et des courants plus élevés. |
| Le diamant peut être synthétisé artificiellement en laboratoire. |
| Un dispositif en diamant peut supporter jusqu’à 9 kV. |
| Le dispositif en diamant démontre le courant de fuite le plus faible. |
| 50% de l’électricité mondiale est contrôlée par des dispositifs de puissance. |
| La demande en électricité augmentera de 50% d’ici 2050. |
| Le diamant produit 100 fois moins d’émissions de carbone que le diamant naturel. |
| Le diamant est une alternative viable et importante aux semi-conducteurs traditionnels. |
| Le diamant est un matériau clé pour une électricité durable. |
Références
Les informations de cet article sont basées sur les recherches menées par l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign et publiées dans la revue IEEE Electron Device Letters. Article : « Diamond p-Type Lateral Schottky Barrier Diodes With High Breakdown Voltage (4612 V at 0.01 mA/Mm) » – DOI: 10.1109/LED.2023.3310910
