• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
582
Лучшие друзья электронных устройств – это бриллианты
Физика

Лучшие друзья электронных устройств – это бриллианты

Когда-то Мэрилин Монро с большим успехом пела песню, которая называлась «Лучшие друзья девушек – это бриллианты». Сегодня песенку пришлось бы отредактировать, потому что лучшими друзьями человека независимо от его половой принадлежности стали айфоны и другие подобные им электронные устройства, а для девушек лучшими друзьями стали айфоны с бриллиантами. Пройдет еще немного времени, и эта же песенка может рассказать нам об айфонах на бриллиантах, потому что лучшими друзьями айфонов, как это не удивительно, станут бриллианты!

Большая проблема ядерной энергетики – это ядерные отходы, которые остаются радиоактивными в течение очень длительного времени. Недавние разработки ученых из университета Бристоля позволяют утилизировать часть этих отходов необычным способом.

Известно, что в ядерных реакторах для контроля скорости цепных реакции используются графитовые стержни. Со временем они становятся радиоактивными – на поверхности стержней образуется радиоактивный изотоп углерод-14. Оказывается, большую часть этого радиоактивного материала можно извлечь с помощью сравнительно недорогой технологии, а извлеченный таким способом углерод-14 использовать для изготовления искусственных алмазов. Остаток стержней становится менее радиоактивным и это уже хорошо, но зачем нужны радиоактивные алмазы?

Бриллианты – это почти идеальные полупроводники для современной электроники. Алмаз обладает хорошей теплопроводностью. Это означает, что устройства на основе алмаза будут рассеивать тепло быстро и легко, вследствие чего отпадает необходимость в громоздких и дорогих методах охлаждения. Алмаз также может выдерживать более высокие напряжения и токи, чем более привычные полупроводники. Некоторые явления, которые возможны для других материалов только в условиях глубокого охлаждения, в алмазе происходят при комнатной температуре.

Разработана технология легирования монокристаллических алмазов с бором при относительно низких температурах и без какого-либо ухудшения структуры кристаллической решетки, что превращает алмаз в полупроводник p-типа. Полупроводник n-типа из алмаза получить труднее, но это тоже возможно при легировании, например, с фосфором. А это означает, что в будущем алмаз может заменить кремний во многих приложениях полупроводников.

Уже в 60-х гг. прошлого века в связи с успехами в технологии выращивания монокристаллов алмаза, были осознаны перспективы применения алмаза в твердотельной электронике. В настоящее время активно исследуются способы получения монокристаллической алмазной подложки или пленки больших размеров. Ученые думают, что успех в этом направлении откроет новую эру в электронике.

© University of Bristol

Физики из университета Бристоля утверждают, что искусственные алмазы, полученные ими, обладают странным свойством – при облучении они могут генерировать электрический ток. Ученые не раскрывают, как им удалось получить такие алмазы, но можно предположить, что внутри алмаза создается p-n переход. А если предположить, что алмаз радиоактивный, то есть полученный из углерода-14, то он будет облучать сам себя и таким образом превратится в миниатюрную электрическую батарейку!

Такая батарейка будет практически вечной, так как время полураспада углерода-14 составляет 5730 лет. Есть одна проблема – такая батарейка будет радиоактивной. Но эта проблема, по мнению ученых из университета Бристоля, легко решается – достаточно поместить радиоактивный алмаз внутри обычного нерадиоактивного алмаза, который будет эффективно экранировать окружающих от излучения. Радиоактивность углерода-14 так называемого бета-типа – при распаде радиоактивного изотопа излучаются сравнительно низкоэнергетические электроны, которые легко застревают даже в тонкой защите.


© University of Bristol

Вторая и более существенная проблема алмазных батареек состоит в их маленькой мощности. По сообщению ученых, бриллиант из одного грамма углерода-14 может дать только 15 джоулей в день. Для сравнения, обычная AA батарейка, которая весит 20 граммов, в пересчете на один грамм производит 700 джоулей в день. Но ресурс AA батарейки ограничен, а алмазная батарейка будет служить тысячи лет.

Такая батарейка на основе радиоактивного углерода-14 представляет собой разновидность ядерных батареек прямого преобразования, которые используют бета распад (бета-вольтаические элементы). Бета-вольтаические элементы по своему принципу работы очень похожи на солнечные батареи, просто вместо потока света они используют поток электронов от радиоактивного распада. Использование структур из нанопроволочек, а также углеродных нанотрубок позволяет улучшить эффективность как солнечных батарей, так и бета-вольтаических элементов.

Прогресс в технологии изготовления нанопроволочек из алмаза открывает дорогу ряду других приложений на стыке биологии, физики и химии. Некоторые из этих приложений сейчас даже невозможно предугадать. К примеру, перспективны гибридные нано-устройства из алмаза и углеродных нанотрубок, которые можно использовать для квантовой обработки информации, а также для создания наноразмерных датчиков для обнаружения крошечных изменений давления, температуры, электрического и магнитного поля в физических и биологических системах.

© University of Bristol

Наноструктуры, и в частности углеродные нанотрубки, похоже, будут играть важную роль в грядущем развитии электроники. По мере дальнейшей миниатюризации электронных устройств, уменьшение размеров источников питания становится серьезной проблемой из-за конфликта между ограничениями по размеру и их мощностью. В настоящее время ядерные микробатарейки считаются следующим поколением батареек из-за их высокой энергетической плотности, длительным периодом полураспада, бесперебойностью энергоснабжения и долговечностью их службы в экстремальных условиях. Уже созданы радиоизотопные бета-вольтаические микробатарейки на основе пленки одностенных углеродных нанотрубок, и в настоящее время ведутся работы по увеличению их эффективности. Сейчас в качестве источника бета-излучения в них используется изотоп никель-63, но может быть в будущем станет возможным получить пленку нанотрубок из углерода-14 и тогда дополнительный источник радиации не потребуется.

Как видите, нас ждут большие перемены.

Подготовил Зураб Силагадзе

Понравилось? Поделись с друзьями!

Подпишись на еженедельную e-mail рассылку!

comments powered by HyperComments