Quando generatori di energia come mulini a vento e pannelli solari trasferiscono elettricità alle case, le imprese e la rete elettrica, perdono quasi il 10 percento della potenza generata. Per affrontare questo problema, gli scienziati stanno ricercando nuovi circuiti a semiconduttore diamantati per rendere più efficienti i sistemi di conversione dell'energia.

Un team di ricercatori giapponesi ha fabbricato con successo un circuito chiave nei sistemi di conversione dell'energia utilizzando il diamante idrogenato (diamante H). Inoltre, hanno dimostrato che funziona a temperature fino a 300 gradi Celsius. Questi circuiti possono essere utilizzati in dispositivi elettronici a base di diamante che sono più piccoli, più leggeri ed efficienti dei dispositivi a base di silicio. I ricercatori riportano i loro risultati questa settimana in Lettere di fisica applicata .

Le proprietà del materiale del silicio lo rendono una scelta sbagliata per i circuiti ad alta potenza, dispositivi elettronici ad alta temperatura e alta frequenza. "Per i generatori ad alta potenza, il diamante è più adatto per la fabbricazione di sistemi di conversione di potenza con dimensioni ridotte e bassa perdita di potenza, " ha detto Jiangwei Liu, ricercatore presso l'Istituto nazionale giapponese per la scienza dei materiali e coautore del documento.

Nello studio attuale, i ricercatori hanno testato la stabilità di un circuito logico NOR con diamante H alle alte temperature. Questo tipo di circuito, utilizzato nei computer, fornisce un output solo quando entrambi gli input sono zero. Il circuito era costituito da due transistor ad effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo (MOSFET), che sono utilizzati in molti dispositivi elettronici, e nei circuiti integrati digitali, come i microprocessori. Nel 2013, Liu e i suoi colleghi sono stati i primi a segnalare la fabbricazione di un MOSFET a diamante H in modalità E.

Quando i ricercatori hanno riscaldato il circuito a 300 gradi Celsius, ha funzionato correttamente, ma ha fallito a 400 gradi. Sospettano che la temperatura più alta abbia causato la rottura dei MOSFET. Tuttavia, è possibile raggiungere temperature più elevate, come un altro gruppo ha riportato il funzionamento riuscito di un simile MOSFET a diamante H a 400 gradi Celsius. Per confronto, la temperatura massima di funzionamento per i dispositivi elettronici a base di silicio è di circa 150 gradi.

Nel futuro, i ricercatori hanno in programma di migliorare la stabilità del circuito alle alte temperature alterando gli isolanti di ossido e modificando il processo di fabbricazione. Sperano di costruire circuiti logici MOSFET a diamante H in grado di funzionare a temperature superiori a 500 gradi Celsius ea 2,0 kilovolt.

"Il diamante è uno dei materiali semiconduttori candidati per l'elettronica di prossima generazione, specificamente per migliorare il risparmio energetico, "ha detto Yasuo Koide, un direttore presso l'Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali e coautore della carta. "Certo, per raggiungere l'industrializzazione, è essenziale sviluppare wafer di diamante a cristallo singolo delle dimensioni di un pollice e altri circuiti integrati basati su diamanti".