Bilim İnsanları Yarı İletkenleri Nasıl Süperiletken Hale Getirdi?

Süperiletkenlik Sınırlamaları

Elektrik, tarihin en dönüştürücü teknolojilerinden biri olmuştur ve uzun mesafelerde çok faydalı bir enerji biçiminin iletilmesine olanak sağlamıştır. Ancak her "normal" elektrik sistemi, bir elektrik akımı uygulandığında ısı oluşumuyla sonuçlanan elektrik direnciyle karşı karşıyadır.

Bir alternatif daha var: süperiletken malzemeler. Süperiletken malzemelerin elektrik direnci sıfırdır ve bu sayede ısı üretmeden son derece güçlü akımların akmasına olanak tanır.

Süperiletkenlik olmadan, parçacık hızlandırıcıları (örneğin, CERN), MRI ve maglev trenleri.

Süperiletkenlik, en umut verici mega projelerin ve teknolojik yeniliklerin önemli bir bileşeni olacak, örneğin: ITER ve çekirdek birleşmesi, kitle sürücüleri, kuantum bilgisayarlar, vb.

Sıfır kayıplı elektrik hatları, ultra uzun şebeke bağlantıları geliştirmede de önemli olabilir, yenilenebilir enerji üretiminin hava koşulları ve zaman dilimleri üzerinde tamponlanmasına yardımcı olabilir, güneş ve rüzgar enerjisinin bazı sınırlamalarını çözebilir.

Ancak, süperiletkenlik şimdiye kadar sadece ultra düşük sıcaklıklarda, mutlak sıfırın hemen birkaç derece üzerinde gösteren malzemeler için ustalaşıldı. Ya da aşırı yüksek basınçta. Ya da her ikisinde.

Bu durum, onu yalnızca en zorlu uygulamalar (maglev, MRI, vb.) için değil, aynı zamanda çok pahalı hale getiriyor ve büyük ölçekli kullanım için süperiletken malzemelerden faydalanabilecek birçok uygulama için ekonomik olmaktan çıkarıyor.

Süperiletkenliğe Giden Birçok Yol

Artık yüksek basınç altında üretilen malzemenin süperiletkenliğinin bir kısmını daha düşük basınçta da koruyabileceği anlaşılıyor Basınç-söndürme protokolü (PQP) adı verilen deneysel bir yöntemle.

Son zamanlarda, WSe₂'nin (tungsten selenyum) bükülmüş çift tabakası yüksek sıcaklık süperiletkenleri için de iyi bir malzeme adayı olduğu ortaya çıktı.

Potansiyel süperiletkenlerin yeni bir sınıfı daha, çift ​​katmanlı nikelatlar da bu yıl listeye eklenmiş olabilir.

Ancak bu malzemelerin hepsi nispeten yeni ve egzotik olduğundan, bunların seri üretime geçmesi ve büyük ölçekte kullanıma sunulması pek mümkün değil.

Germanyum bazlı yarı iletkenlerin süper iletkenlere dönüştürülebileceğinin keşfi sayesinde bu durum değişebilir. Bu araştırma, Queensland Üniversitesi (Avustralya), New York Üniversitesi, ETH Zürih (İsviçre) ve Ohio Eyalet Üniversitesi'ndeki bilim insanları tarafından yürütüldü ve bulguları Nature Nanotechnology dergisinde yayınlandı.¹, Başlığın altında "Yerine geçen Ga-hiper katkılı Ge epitaksiyel ince filmlerde süperiletkenlik anlayışının sonucu olarak, buzdolabında iki üç günden fazla durmayan küçük şişeler elinizin altında bulunur.

Yarı İletkenlerden Süper İletkenlere

Germanyum Yarı İletkenler

Germanyum ve silisyum, elmas benzeri kristal yapılara sahip, Grup IV elementleri olarak adlandırılır. Bu kristal yapı, metal (elektrik iletkeni) ile yalıtkan (iletken olmayan) arasında bir yapıda davranmalarını sağlayarak yarı iletken üretimi için kullanışlı hale getirir.

Germanyum yarı iletken üretimi halihazırda iyi anlaşılmış olup çeşitli elektronik ve optik cihazlar için büyük ölçekte gerçekleştirilmektedir. aslında diyotlar ve transistörler için kullanılan ilk malzemelerden birive daha düşük maliyetleri ve daha iyi performansı nedeniyle silikonla değiştirildi. üstün termal kararlılık.

Füzeler ve savunma uydularındaki sensörler de dahil olmak üzere elektronik ve kızılötesi optik için hayati önem taşıyan germanyum, günümüzde çoğunlukla çinko ve molibden madenlerinden elde ediliyor.

Süperiletkenlik yaratmak için elektronların eşleşmesi ve böylece malzemenin içerisinde dirençle karşılaşmadan hareket edebilmeleri gerekir.

Zaten 2023 yılında germanyum filmlerinde süperiletken bir faz bulunduBu son keşfi gerçekleştiren araştırmacıların yürüttüğü bir çalışma, galyum malzemesinin germanyum ile katkılanmasıdır.

Kaynak: Araştırma kapısı

"Bu, IV. grup elementlerinin normal koşullar altında doğal olarak süperiletken olmaması, ancak kristal yapılarının değiştirilmesinin süperiletkenliğe izin veren elektron eşleşmelerinin oluşmasını sağlaması nedeniyle işe yarıyor."

Javad Shabani – NYU Kuantum Bilgi Fiziği Merkezi Direktörü.

Ölçeklendirme Potansiyeli

Germanyum ve silisyum gibi yarı iletkenlerde süperiletken davranış yaratmaya yönelik önceki girişimler bu konsepti kanıtlamış olsa da, bunu büyük ölçekte inşa etmekte zorlandılar.

Temel mesele, uygun iletkenlik özelliklerine sahip atomik yapıyı korumaktı. Normalde, yüksek galyum seviyeleri kristali dengesizleştirerek süperiletkenliği engeller.

Yine de bu umut verici bir fikir, çünkü germanyum yarı iletken üretimi çok iyi anlaşılmış bir teknoloji ve kullanıma hazır çok sayıda ekipman mevcut.

"Germanyum zaten ileri yarı iletken teknolojileri için bir işgücü malzemesidir, bu nedenle kontrollü büyüme koşulları altında süperiletken olabileceğinin gösterilmesiyle artık ölçeklenebilir, dökümhaneye hazır kuantum cihazları için potansiyel var."

Dr. Peter Jacobson – Queensland Üniversitesi Araştırmacısı

Yeni Üretim Yöntemi

Çoğu katkılama yöntemi, iyonları malzemeye entegre etmeye çalışır, ancak oldukça düzensiz sonuçlara yol açar. Bu, yarı iletken performansını iyileştirmek için yeterli olabilir, ancak süperiletkenliği tetiklemek için çok belirsizdir.

Bunun yerine araştırmacılar, moleküler ışın epitaksisi (MBE). Yönlendirir Ultra yüksek vakum (UHV) ortamında ısıtılmış bir alt tabakaya atomik veya moleküler kaynaklı ışınların gönderilmesi.

Kaynak: Şu Şeyleri Açıkla

Bu, büyüyen filmin bileşimi, kalınlığı ve dopingi üzerinde hassas bir kontrol sağlar.

“İyon aşılama yerine, moleküler ışın epitaksisi (MBE) kullanılarak galyum atomları germanyumun kristal kafesine hassas bir şekilde dahil edildi.

Epitaksiyi (ince kristal katmanları büyütme) kullanmak, süperiletkenliğin bu malzemelerde nasıl ortaya çıktığını anlamak ve kontrol etmek için gereken yapısal hassasiyeti nihayet elde edebileceğimiz anlamına geliyor.”

Dr Julian Steele – Queensland Üniversitesi'nde Araştırmacı

Araştırmacılar, senkrotron tabanlı X-ışını emilimini kullandıklarında, galyum katkı maddelerinin germanyum kafesinin içine dahil edildiğini ve kristal birim hücresinde tetragonal bir bozulma meydana geldiğini buldular.

Kaynak: Doğa Nanoteknolojisi

Bu yapısal düzen, Ge'de süperiletkenliğin ortaya çıkması için dar bir elektronik bant oluşturur.

Kaynak: Doğa Nanoteknolojisi

Daha da önemlisi, bu yöntem elektronik çiplerin seri üretiminde kullanılan yöntemlerle aynı şekilde, yonga plakası düzeyinde de çalışabiliyor.

Kaynak: WaferWorld

“Bu teorik çalışma, galyum atomlarının germanyum kafesine düzgün bir şekilde yer değiştirerek süperiletkenlik için gerekli elektronik koşulları yarattığını doğruladı.

Bu, hesaplama ve deneyin birlikte, yarım yüzyıldan uzun süredir malzeme bilimini zorlayan bir sorunu nasıl çözebileceğinin zarif bir örneği.”

Dr. Carla Verdi – Queensland Üniversitesi'nde Araştırmacı

Başvurular

Bu yöntemin yarattığı süperiletkenlik, oda sıcaklığındaki bir süperiletkenlik değildir; çünkü 3.5°K (-269°C / -453°F) kadar düşük sıcaklıklar gerektirir; bu, malzeme biliminin henüz kavrayamadığı bir olgudur.

Yine de, yarı iletken endüstrisinde kullanılan köklü makinelerin kullanılmasıyla üretiminin kolay olması, süperiletken yongaların üretim şeklini kökten değiştirebilir.

Bu da, kuantum bilgisayarları için malzemelerin üretim şeklini kökten değiştirebilir. Büyük olasılıkla, pahalı süperiletken malzemeler yerine, geleceğin kuantum bilgisayarları, çipin belirli noktalarında süperiletken hale getirilmiş "normal" bir galyum-germanyum yarı iletken yonga kullanabilir.

"Bu malzemeler, hibrit kuantum cihazlarının yeni bir dönemine giden yolu açıyor ve süperiletken ve yarıiletken bölgeler arasında temiz arayüzlere ihtiyaç duyan gelecekteki kuantum devrelerinin, sensörlerin ve düşük güçlü kriyojenik elektroniklerin temelini oluşturabilir."

Dr. Peter Jacobson – Queensland Üniversitesi Araştırmacısı

Kaydırmak için kaydırın →

Yarı İletken Üretimine Yatırım Yapmak

TSMC

Yarı iletken üretimi, çok dar ve karmaşık uzmanlık alanlarının bir araya geldiği ve maliyetleri düşürmek için büyük ölçekte seri üretim yapma ihtiyacının hakim olduğu bir sektördür.

Bu iş modelini, dünyada ultra gelişmiş çip üretiminde lider olan Tayvanlı şirket TSMC kadar iyi uygulayan başka bir şirket yok.

TSMC, elbette, en güçlü 3 ve 2 nm düğüm yongaları da dahil olmak üzere çoğunlukla silikon yongalar üretiyor. Ve çoğunlukla en gelişmiş ve pahalı yongaları ürettiği için, yarı iletken döküm endüstrisinin küresel gelirinin yarısından fazlasını kontrol ediyor.

Kaynak: Eric Flaningam

TSMC bugün ABD'de silikon çip üretimine başlamak için evrim geçiriyor. özellikle Arizona'daki yeni dökümhanelerine yaptığı büyük yatırımla.

TSMC aynı zamanda gelişmiş germanyum tabanlı transistörler ve diğer yarı iletkenler konusunda da uzmandır.

Şirket şu anki kârını çoğunlukla gelişmiş çiplerden ve Nvidia gibi şirketler için yapay zeka donanımı üretiminden elde ediyor. (NVDA ), aynı zamanda ortak yarı iletken üretim yöntemlerinin üretebileceği keşfin başlıca yararlanıcılarından biri de olabilir.

En Son TSMC (TSM) Hisse Senedi Haberleri ve Gelişmeleri

Referans Alınan Çalışma:

^{1. Steele, JA, Strohbeen, PJ, Verdi, C. ve ark. Yerine geçen Ga-hiper katkılı Ge epitaksiyel ince filmlerde süperiletkenlik. Nat. Nanoteknoloji. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02042-8}