Iniúchadh ar Ionchais na Sceallóga Leathsheoltóra Sileacain sa Todhchaí

Cad a shainíonn ról na leathsheoltóirí sa teicneolaíocht?

Is féidir ábhair a rangú bunaithe ar a seoltacht leictreach – sreabhann sruth go héasca i seoltóirí ach ní féidir é a úsáid in inslitheoirí. Titeann leathsheoltóirí eatarthu: is féidir leo leictreachas a sheoladh faoi choinníollacha sonracha, rud a fhágann go bhfuil siad thar a bheith úsáideach sa ríomhaireacht. Trí úsáid a bhaint as leathsheoltóirí mar bhunús le haghaidh micrishlis, is féidir linn an sreabhadh leictreachais laistigh de ghléasanna a rialú, rud a chumasaíonn na feidhmeanna suntasacha go léir a mbímid ag brath orthu inniu.

Ó cuireadh tús leo,sileacaintá sé chun tosaigh sa tionscal sliseanna agus teicneolaíochta, as a dtagann an téarma "Silicon Valley." Mar sin féin, b'fhéidir nach é an t-ábhar is oiriúnaí do theicneolaíochtaí na todhchaí. Chun é seo a thuiscint, ní mór dúinn breathnú arís ar conas a fheidhmíonn sliseanna, na dúshláin teicneolaíochta atá ann faoi láthair, agus na hábhair a d'fhéadfadh a bheith in ionad sileacain sa todhchaí.

Conas a aistríonn micrishliseanna ionchuir go teanga ríomhaire?

Líontar micrishliseanna le lasca bídeacha ar a dtugtar trasraitheoirí, a aistríonn ionchuir mhéarchláir agus cláir bhogearraí go teanga ríomhaire – cód dénártha. Nuair a bhíonn lasc oscailte, is féidir leis an sruth sileadh, rud a léiríonn '1'; nuair a bhíonn sé dúnta, ní féidir leis, rud a léiríonn '0'. I ndeireadh na dála, baineann gach rud a dhéanann ríomhairí nua-aimseartha leis na lasca seo.

Le blianta fada anuas, tá feabhas curtha againn ar chumhacht ríomhaireachta trí dhlús trasraitheoirí ar mhicrishlis a mhéadú. Cé nach raibh sa chéad mhicrishlis ach trasraitheoir amháin, inniu is féidir linn na billiúin de na lasca bídeacha seo a chuimsiú i sliseanna ar mhéid méar.

Rinneadh an chéad mhicrishlis de ghearmáiniam, ach thuig tionscal na teicneolaíochta go tapa é sinsileacainábhar níos fearr do mhonarú sliseanna. I measc príomhbhuntáistí Silicon tá a raidhse, a chostas íseal, agus a leáphointe níos airde, rud a chiallaíonn go bhfeidhmíonn sé níos fearr ag teochtaí ardaithe. Ina theannta sin, is furasta sileacain a “dhópáil” le hábhair eile, rud a ligeann d’innealtóirí a seoltacht a choigeartú ar bhealaí éagsúla.

Cad iad na dúshláin atá le sárú ag sileacain sa ríomhaireacht nua-aimseartha?

An straitéis chlasaiceach maidir le ríomhairí níos tapúla agus níos cumhachtaí a chruthú trí na trasraitheoirí a chrapadh i gcónaísileacainsliseanna ag tosú a falter. Dúirt Deep Jariwala, ollamh innealtóireachta in Ollscoil Pennsylvania, in agallamh in 2022 leis an Wall Street Journal, “Cé gur féidir le sileacain oibriú ag toisí chomh beag, tá an éifeachtúlacht fuinnimh atá ag teastáil le haghaidh ríomh ag ardú, rud a fhágann go bhfuil sé thar a bheith neamh-inbhuanaithe. Ó thaobh fuinnimh de, ní dhéanann sé ciall a thuilleadh.”

Chun leanúint ar aghaidh ag feabhsú ár dteicneolaíocht gan dochar a dhéanamh don chomhshaol, ní mór dúinn aghaidh a thabhairt ar cheist na hinbhuanaitheachta. Sa tóir seo, tá roinnt taighdeoirí ag scrúdú go dlúth sceallóga déanta as ábhair leathsheoltóra seachas sileacain, lena n-áirítear nítríd ghailliam (GaN), comhdhúil déanta as galiam agus nítrigin.

Cén fáth a bhfuil nítríd ghailliam ag fáil aird mar ábhar leathsheoltóra?

Athraíonn seoltacht leictreach na leathsheoltóirí, go príomha mar gheall ar a dtugtar an "bandgap." Braislí prótóin agus neodrón sa núicléas, agus leictreoin i bhfithis timpeall air. Chun gur féidir le hábhar leictreachas a sheoladh, ní mór go mbeadh leictreoin in ann léim ón “bhanda valence” go dtí an “bhanda seolta”. Sainmhíníonn an t-íosmhéid fuinnimh a theastaíonn don aistriú seo banda bearna an ábhair.

I seoltóirí, forluíonn an dá réigiún seo, rud a fhágann nach bhfuil aon bhearna bhainne ann – ní féidir le leictreoin gluaiseacht go héasca trí na hábhair seo. In inslitheoirí, tá an bhearna bhainne an-mhór, rud a fhágann go bhfuil sé deacair do leictreoin trasnú fiú nuair a chuirtear fuinneamh suntasach i bhfeidhm. Áitíonn leathsheoltóirí, cosúil le sileacain, talamh lár;sileacaintá bandgap de 1.12 leictreon volta (eV) aige, agus tá bandáil de 3.4 eV ag nítríd ghailliam, agus é á rangú mar “leathsheoltóir leathanbhanda” (WBGS).

Tá ábhair WBGS níos gaire d'inslitheoirí sa speictream seoltachta, rud a éilíonn níos mó fuinnimh do leictreoin bogadh idir an dá bhanda, rud a fhágann nach bhfuil siad oiriúnach d'iarratais an-íseal-voltais. Mar sin féin, is féidir le WBGS oibriú ag voltais níos airde, teocht, agus minicíochtaí fuinnimh násileacain-bhunaitheleathsheoltóirí, a ligeann do ghléasanna a úsáideann iad oibriú níos tapúla agus níos éifeachtaí.

Dúirt Rachel Oliver, stiúrthóir ar an Cambridge GaN Centre, le Freethink, “Má chuireann tú do lámh ar charger gutháin, beidh sé te; sin an fuinneamh a chuirtear amú ag sliseanna sileacain. Mothaíonn luchtairí GaN i bhfad níos fuaire faoi láthair - tá i bhfad níos lú fuinnimh amú.”

Tá Gailliam agus a chomhdhúile in úsáid sa tionscal teicneolaíochta le blianta fada anuas, lena n-áirítear dé-óidí astaithe solais, léasair, radar míleata, satailítí agus cealla gréine. Mar sin féin,nítríd ghailliamfaoi ​​láthair tá taighdeoirí ag díriú ar a bhfuil súil acu an teicneolaíocht a dhéanamh níos cumhachtaí agus níos tíosaí ar fhuinneamh.

Cad iad na himpleachtaí atá ag nítríd ghailliam don todhchaí?

Mar a luadh Oliver, tá chargers fón GaN ar an margadh cheana féin, agus tá sé mar aidhm ag taighdeoirí an t-ábhar seo a ghiaráil chun chargers feithiclí leictreacha níos tapúla a fhorbairt, ag tabhairt aghaidh ar imní suntasach tomhaltóirí maidir le feithiclí leictreacha. “Is féidir le gléasanna cosúil le feithiclí leictreacha luchtú i bhfad níos tapúla,” a dúirt Oliver. “I gcás aon rud a éilíonn cumhacht iniompartha agus muirearú tapa, tá cumas suntasach ag nítríd ghailliam.”

Gailliam nítrídefreisin feabhas a chur ar chórais radair aerárthach míleata agus drones, rud a ligeann dóibh spriocanna agus bagairtí ó achair níos mó a aithint, agus feabhas a chur ar éifeachtúlacht na bhfreastalaithe lárionad sonraí, rud atá ríthábhachtach chun an réabhlóid AI a dhéanamh inacmhainne agus inbhuanaithe.

Ós rud é gonítríd ghailliamexcels i go leor gnéithe agus tá sé thart ar feadh tamaill, cén fáth a leanann an tionscal micrishlis ag tógáil timpeall sileacain? Is é an freagra, mar a bhíonn i gcónaí, ná costas: tá sliseanna GaN níos costasaí agus níos casta le monarú. Tógfaidh sé am chun costais a laghdú agus táirgeadh a scála, ach tá rialtas na SA ag obair go gníomhach chun tús a chur leis an tionscal seo atá ag teacht chun cinn.

I mí Feabhra 2024, leithdháil na Stáit Aontaithe $1.5 billiún ar an gcuideachta déantúsaíochta leathsheoltóra GlobalFoundries faoin Acht CHIPS agus Eolaíochta chun táirgeadh sliseanna intíre a leathnú.

 Úsáidfear cuid de na cistí seo chun áis déantúsaíochta a uasghrádú i Vermont, rud a chuirfidh ar a chumas olltáirgeadhnítríd ghailliam(GaN) leathsheoltóirí, cumas nach bhfuil réadaithe faoi láthair sna Stáit Aontaithe De réir an fhógra maoinithe, úsáidfear na leathsheoltóirí seo i bhfeithiclí leictreacha, ionaid sonraí, fóin chliste, greillí cumhachta agus teicneolaíochtaí eile. 

Mar sin féin, fiú má éiríonn leis an U.S. gnáthoibríochtaí a athbhunú ar fud a earnáil déantúsaíochta, beidh táirgeadh naGaNtá sliseanna ag brath ar sholáthar cobhsaí de ghailliam, rud nach bhfuil ráthaithe faoi láthair. 

Cé nach bhfuil gailliam annamh - tá sé i láthair i screamh an Domhain ag leibhéil atá inchomparáide le copar - níl sé ann i taiscí móra inmhianaithe cosúil le copar. Mar sin féin, is féidir rianmhéideanna Gailliam a fháil i mianta ina bhfuil alúmanam agus since, rud a fhágann gur féidir é a bhailiú le linn na n-eilimintí seo a phróiseáil. 

Ó 2022, táirgeadh thart ar 90% de ghailliam an domhain sa tSín. Idir an dá linn, níl gallium táirgthe ag na SA ó na 1980idí, le 53% dá ghailliam allmhairithe ón tSín agus an chuid eile faighte ó thíortha eile. 

I mí Iúil 2023, d'fhógair an tSín go gcuirfí tús le srian a chur le honnmhairí Gailliam agus ábhar eile, gearmáiniam, ar chúiseanna slándála náisiúnta. 

Ní chuireann rialacháin na Síne cosc ​​iomlán ar onnmhairí gallium chuig na SA, ach éilíonn siad ar cheannaitheoirí ionchasacha iarratas a dhéanamh ar cheadanna agus ceadú a fháil ó rialtas na Síne. 

Tá conraitheoirí cosanta na SA beagnach cinnte go mbeidh diúltaithe acu, go háirithe má tá siad liostaithe ar “liosta eintiteas neamhiontaofa” na Síne. Go dtí seo, is cosúil gur tháinig méadú ar phraghsanna gailliam agus amanna seachadta ordú méadaithe don chuid is mó de na monaróirí sliseanna, seachas ganntanas iomlán, de bharr na srianta seo, cé go bhféadfaidh an tSín a rialú a dhéanamh níos doichte ar an ábhar seo sa todhchaí. 

D’aithin na SA le fada na rioscaí a bhaineann lena spleáchas mór ar an tSín le haghaidh mianraí criticiúla - le linn díospóide leis an tSeapáin in 2010, chuir an tSín cosc ​​sealadach ar onnmhairiú miotail tearc-chré. Faoin am a d'fhógair an tSín a srianta in 2023, bhí na SA ag iniúchadh modhanna cheana féin chun a slabhraí soláthair a neartú. 

I measc na roghanna eile a d’fhéadfadh a bheith ann tá galiam a allmhairiú ó thíortha eile, mar Cheanada (más féidir leo táirgeadh a mhéadú go leordhóthanach), agus an t-ábhar a athchúrsáil ó dhramhaíl leictreonach – tá taighde sa réimse seo á mhaoiniú ag Gníomhaireacht Ardthionscadail Taighde na Roinne Cosanta de chuid na SA. 

Is rogha freisin é soláthar baile de ghailliam a bhunú. 

Thug Nyrstar, cuideachta atá bunaithe san Ísiltír, le fios go bhféadfadh a ghléasra since in Tennessee a dhóthain galiam a bhaint amach chun freastal ar 80% d’éileamh reatha na SA, ach go gcosnódh tógáil na saoráide próiseála suas le $190 milliún. Tá an chuideachta i mbun caibidlíochta faoi láthair le rialtas na SA maidir le maoiniú leathnaithe.

Áirítear le foinsí féideartha Gailliam taisce freisin i Round Top, Texas. In 2021, mheas Suirbhé Geolaíochta na SA go raibh thart ar 36,500 tonna de ghailliam sa taisce seo - i gcomparáid leis sin, tháirg an tSín 750 tonna de ghailliam in 2022. 

De ghnáth, tarlaíonn gailliam i rianmhéideanna agus tá sé thar a bheith scaipthe; áfach, i mí an Mhárta 2024, d'aimsigh American Critical Materials Corp. taisce le tiúchan sách ard de ghailliam ardcháilíochta i bhForaois Náisiúnta Kootenai i Montana. 

Faoi láthair, tá galium ó Texas agus Montana fós le baint, ach tá taighdeoirí ó Idaho National Laboratory agus American Critical Materials Corp. ag comhoibriú chun modh atá neamhdhíobhálach don chomhshaol a fhorbairt chun an t-ábhar seo a fháil. 

Ní hé Gailliam an t-aon rogha atá ag na SA chun teicneolaíocht micrishlis a fheabhsú - is féidir leis an tSín sceallóga níos airde a tháirgeadh ag baint úsáide as roinnt ábhar neamhshrianta, rud a d'fhéadfadh a bheith níos fearr ná sliseanna atá bunaithe ar ghailliam i gcásanna áirithe. 

I mí Dheireadh Fómhair 2024, fuair an monaróir sliseanna Wolfspeed suas le $750 milliún i maoiniú tríd an Acht CHIPS chun an áis déantúsaíochta sliseanna cairbíde sileacain is mó (ar a dtugtar SiC freisin) a thógáil sna SA. Tá an cineál sliseanna seo níos costasaí nánítríd ghailliamach is fearr é le haghaidh feidhmeanna áirithe, mar ghléasraí cumhachta gréine ardchumhachta. 

Dúirt Oliver le Freethink, “Feidhmíonn nitride Gailliam go han-mhaith ag raonta áirithe voltais, aguschomhdhúile sileacainéiríonn níos fearr ag daoine eile. Mar sin braitheann sé ar an voltas agus ar an gcumhacht a bhfuil tú ag déileáil leis.” 

Tá na Stáit Aontaithe ag maoiniú taighde ar mhicrishliseanna atá bunaithe ar leathsheoltóirí leathanbhanda, a bhfuil bandáil níos mó ná 3.4 eV acu. Áirítear ar na hábhair seo Diamond, nítríde alúmanaim, agus nítríde bórón; Cé go bhfuil siad costasach agus dúshlánach le próiseáil, d'fhéadfadh go mbeadh feidhmiúlachtaí suntasacha nua ag baint le sliseanna a dhéantar as na hábhair seo ar chostais chomhshaoil ​​níos ísle.

 “Má tá tú ag caint faoi na cineálacha voltais a d’fhéadfadh a bheith i gceist le cumhacht gaoithe amach ón gcósta a tharchur chuig an eangach ar tír mór,nítríd ghailliamb’fhéidir nach mbeadh sé oiriúnach, mar ní féidir leis an voltas sin a láimhseáil,” a mhínigh Oliver. “Is féidir le hábhair cosúil le nítríde alúmanaim, atá leathanbhanda,.”