مستقبل تصميم أجهزة توليد الطاقة باستخدام مادة غرافين ومواد أخرى

مقدمة إلى مواد مقياسية في تصميم أجهزة توليد الطاقة

(ب) إن مضخات الطاقة هي لبنات أساسية في النظم الإلكترونية الحديثة، من الهياكل الأساسية للاتصالات اللاسلكية إلى أجهزة الرادار والإذاعة والإلكترونيات الاستهلاكية، وعلى مدى العقود العديدة الماضية، فإن التقدم في تصميم أجهزة توليد الطاقة الكهربائية قد اتبع إلى حد كبير توسيع نطاق الموصلات الفوقية وشبه المركبتين، ومع ذلك، ومع اقترابنا من الحدود المادية لهذه المواد التقليدية، فإن الحاجة إلى تحول أساسي في علوم المواد تؤدي إلى أهمية حاسمة.

وتظهر هذه المواد النادرة الذرية خصائص تفوق في كثير من الأحيان نظيراتها الكبيرة، مما يتيح مستويات غير مسبوقة من السلوك والنقل الحراري والمرونة الميكانيكية، أما بالنسبة لمضخمات الطاقة، فإن الآثار المترتبة عليها عميقة: زيادة الكفاءة، وتوسيع نطاق النطاق، وانخفاض عوامل الشكل بدرجة كبيرة، وإمكانية الاندماج في منابر مرنة وقابلة للارتداء، وما زالت الأوساط البحثية والصناعة في مرحلة مبكرة من الرحلة، ولكن المسار يشير إلى أن مواد التعبئة ستؤدي إلى حدوث العقد.

Properties of 2D Materials Key to Power Amplification

التنقل فيما بين الناقلين

وتمتلك شركة غرامين أعلى حركة حاملات الشحنات المعدنية المعروفة، حيث تتجاوز 000 200 سم2/V؛ وهي في درجة حرارة الغرفة في ظروف مثالية، وتترجم هذه الممتلكات مباشرة إلى انخفاض مستوى المواصلات في أجهزة تحويل الطاقة الكهربائية، والحد من الخسائر في السلوك، وتمكين الكثافة الحالية العالية، ويعني ذلك بالنسبة لأجهزة توليد الطاقة أقل حرارة لكل وحدة من وحدات الطاقة المتضخمة، وتحسين الكفاءة العامة.

التصريف الحراري الخارق

كما أن شركة غرافين تُظهر السلوك الحراري في نطاق يتراوح بين 000 3 و 000 5 وم/م ك، وتجاوز الماس وأي مواد معروفة أخرى، والإدارة الحرارية الفعالة هي أحد أكثر التحديات المستمرة في تصميم أجهزة تضخ الطاقة، وتحلل عمليات تركيب الحرارة بشكل فعال، وتخفض درجة الموثوقية، وتُدرج مصممي القوى في نظم التسخين والتبريد ذات طبقات الحرارة العالية().

المرونة والارتقاء بالمترجمين

ونظرا لأن مواد الـ 2 دال هي سميكة واحدة، فهي تتسم بالمرونة والشفافية في جوهرها، وهذا يفتح الباب أمام أجهزة تضخم الطاقة التي يمكن أن تُضم في عروض مرنة، ومستشعرات طبية قابلة للذوبان، وهائيات متطابقة، كما أن الطبيعة الناقصة الذرية تتيح أيضا توسيع نطاق البوابات العنيفة دون التعرض لآثار الميكانيكية القصيرة التي تقل تواتر الطاعون عن 10 ميغا متر.

مواد أخرى من طراز غرافين و2D من أجل أداء الطاقة

الكفاءة العالية والقابلية للذوبان

إن الكفاءة في أجهزة تقوية الطاقة هي مقياس لكيفية تحويل قوة العاصمة إلى قوة إنتاجية من هذا القبيل، والسلوك غير الأيديي للنقل والخسائر المقاومة والآثار الحرارية كلها من حيث الكفاءة، ويمكن للمترجمين التحريريين القائمين على نوع غلاف كبير أن يحققوا مستوى منخفض جدا من المقاومة والتشبع في الوقت الراهن، مما يؤدي إلى تحسين الكفاءة في استخدام الطاقة.

عملية باندفيث

ويسمح ارتفاع معدل التنقل وانخفاض القدرة الطفيلية لمترجمي الرسوم البيانية لهم بالعمل عبر نطاق الترددات الهائلة، من العاصمة إلى ما يتجاوز 500 غيرتز في أجهزة نموذجية، وهذا مغير لعب للمضخمات ذات النطاق العريض التي يجب أن تعالج مجموعات الترددات المتعددة في آن واحد، مثل تلك المستخدمة في أجهزة الراديو المحددة للبرامجيات، ومعدات الاختبار، ونظم الحرب الإلكترونية.

النموذج والتكامل

ونظرا لأن الطبقات المادية من طراز 2D هي رقيقة من الناحية الذرية، يمكن بناء دوائر لتضخم الطاقة بكاملها بمستوى عمودي أدنى، ويقترن ذلك مع ارتفاع معدل السلوك الحراري المشار إليه سابقا، ويتيح هذا للمصممين حزم مراحل أكبر من التوسع في مرحلة أصغر مما يمكن أن يكون مع تكنولوجيات الوجبات الغذائية التقليدية من الدرجة الثالثة إلى الخامسة.

التحديات في تنفيذ المواد من الـ 2 دال في أجهزة تقوية الطاقة

التركيب والتسعير المتصاعد

ولا يزال إنتاج أفلام رسوم بيانية عالية الجودة وكبيرة النطاق ذات خصائص موحدة يشكل عقبة كبيرة، أما تركيبة البخار الكيميائي فهي أكثر الطرق قابلية للتصعيد، ولكن الأفلام الناتجة عن ذلك هي خط متعدد الكريستالات، مع وجود حدود للحبوب التي تبعث على ناقلات الارتطام وتخفض من حركة التنقل، أما بالنسبة للموسم الثاني والسادس الثاني، فإن التحدي أكبر من ذلك، حيث أن المصانع الكبيرة التي تُحدث التلوث بالكميات غير المتحكم فيها.

مراقبة المقاومة والتحكم في تعاطي المخدرات

ولتحقيق فوائد التنقل العالي، يجب التقليل إلى أدنى حد من مقاومة الاتصال بين المواد ال2D والكهرباء المعدنيين، ومن الناحية العملية، فإن تحقيق الاتصالات الأوقيانية ذات القدرة على الاتصال المحددة دون 10-7 مقاومة للحمض النووي(23) قد ثبتت صعوبة، لا سيما بالنسبة للموصلات شبه الثابتة ذات النطاق الترددي الواسع النطاق، مثل نظام الرصد 2، وبالمثل، يلزم القيام بضبط دقيق ومستقر لتصنيع كميات الحد الأدنى من المواد الكيميائية وتعظيم تركيزات الناقل.

الاستقرار المادي والجوازات

كما أن غرافين نفسه مستقر كيميائياً، ولكن طابعه الصفري يؤدي إلى تسرب كبير خارج الدولة، وهو أمر لا يمكن استدراكه في أجهزة تضخيم الحركة، كما أن الدهكوكسينات المعدنية التي تمر بمرحلة انتقالية توفر مجموعة من المواد التي تولدها أجهزة التلقيح، ولكنها غالباً ما تكون حساسة بالنسبة للأوكسجين والرطوبة، مما يؤدي إلى تدهور الأداء على مر الزمن، كما أن مخططات التعبئة الفعالة تستخدم مادة الارتداد الحراري أو أجهزة الاستي.

التكامل مع عمليات الموصلات الشبهية القائمة

ولا يحدث تصميم مضخم للطاقة بمعزل عن بعضها البعض، بل يتطلب التعايش مع مضخمات السائقين، والمزلاجات، والموجهات، ومنطق التحكم، إذ يجب أن تثبت هذه المواد التوافق مع تدفقات عملية السيليكون والغاز/الGaN، ويشمل ذلك التسامح مع الميزانيات الحرارية، وخطوات التنظيف الكيميائي، وعمليات الليثيوم، وتستثمر الصناعة بشدة في البنية التحتية الحالية للنسيج؛ ويجب أن توفر أي مواد مسببة

توجيهات البحوث الحالية والتطورات الناشئة

الهياكل الهتيروية وفان دير والس الهندسية

ومن أكثر التطورات إثارة القدرة على تجميع مواد الـ2D المختلفة على رأس بعضها البعض لتشكيل هياكل هضبة للشاحنات (دير ولز) حيث يدمج الرسم البياني مع نظام HBN أو MS2 أو الفوسفور الأسود، يمكن للباحثين أن يصمموا مواءم واسعة النطاق، ويخلقوا حواجز نفقية، ويصمموا مكبرات القوى، وهذا يسمح بتصميم أجهزة الحركة العالية الوصلات

أجهزة تحويل متطورة في الميدان (GFETs) لأجهزة تحويل الطاقة العاملة بمليتر-الوافي

وقد ثبتت معاملات الطاقة المتجددة العاملة في الترددات المميتة (30 غيغاهيرتز إلى 300 غيهرتز) بمقاييس أداء واعدة، بما في ذلك الكثافة التي تصل إلى 0.5-1 دبليونيتر وP.E إلى ما يتجاوز 20 في المائة.

For a comprehensive review of recent GFET flags, see this review in Materials Today].

أجهزة تقوية قوة مرنة وعبرية

ومرونة مواد الـ 2 دال تجعلها مثالية لمضخمات القوى التي تستهدف أجهزة قابلة للارتداء والتنقل، وقد بني الباحثون أجهزة مضخمة تتسم بالشفافية الكاملة والمرونة من الناحية الميكانيكية تستخدم الطبقات الكهروائية والجهاز الموسّط 2 على طبقات البوليمر الفرعية، وفي حين أن إنتاج الطاقة يقل حاليا عن التنفيذ الجامد، فإن إمكانية الاندماج في الملابس الذكية، والصلبات الطبية، والعرض المرن للقوة.

تطبيقات توجيه الطاقة المادية 2D

الاتصالات السلكية واللاسلكية في مرحلة التخرج التالية (5G و6G)

وقد يُطلب بشدة على نطاق أوسع من النطاقات الترددية، وارتفاع معدلات البيانات، وكفاءة الطاقة في 5 زاي والشبكات الناشئة من 6G، زيادة الطلب على أجهزة تقوية أجهزة الاستدلال والجهاز النقالة، حيث تصل تكنولوجيات الغاز والشبكة الحالية للشبكة العالمية لسواتل الملاحة إلى حدود في التواؤم والكفاءة في الترددات المزودة بموجات متعددة.

نظم الرادار في مجال الدفاع والفضاء الجوي

"الحرب الإلكترونية والصفوفة المُسحّلة إلكترونياً" "تحتاج أنظمة رادارية" "مضخمات طاقة قادرة على العمل عبر نطاق سريع واسع" "بدرجة عالية" "والتغيير السريع"

الأجهزة الطبية التي لاسلكية

وتحتاج الأجهزة الطبية غير القابلة للتلفزي والارتقاء، مثل أجهزة الوتر اللاسلكية، والمسجلات العصبية، ومضخات الإنسولين، إلى أجهزة مضخة منخفضة الطاقة تكون فعالة ومتوافقة بيولوجياً على حد سواء. وتوفر المواد من الـ دي مزيجاً فريداً من الضجيج المنخفض والمرونة والسمية غير القابلة للتحلل (لطبقات الغرافيني والكبريتيدات) وتقوم الباحثات بتطوير أجهزة مرنة لتوليدة قادرة على الطاقة التي يمكن إدماجها في عمليات إزالة الاحتيافات الحيوية

الاتصالات الساتلية والفضاء

ويكتسي الوزن والموثوقية أهمية قصوى في المضخات الفضائية.() وتخفض كثافة المواد ذات الـ2D المنخفضة والكفاءة العالية مباشرة تكاليف الإطلاق، كما أن صعوبة الإشعاع في الأشعة في الغرافيين والشبكة الهوائية للسواتل هي أيضا ذات أهمية، لأن هذه المواد أقل عرضة للضرر الناجم عن التشريد من جسيمات عالية الطاقة مقارنة بشبه الموصلات التقليدية، وقد مولت وكالة الفضاء الأوروبية عدة مشاريع لاستكشاف قنوات ساتلية ذات قاعدة بيانية لسواتل RF.

التوقعات المستقبلية والخط الزمني للتسويق

تقريباً إلى متوسطة الأجل (3 إلى 7 سنوات)

وفي الأجل القريب، من المرجح أن يقتصر إدخال مواد الـ 2D في أجهزة تكرير الطاقة على تطبيقات النيتش، ذات قيمة عالية حيث تبرر مزايا الأداء ارتفاع التكاليف، ونتوقع أن تظهر هذه الأجهزة المزودة بمواد الحرارة، وطبقات الإدارة الحرارية المدمجة في أجهزة تكرير الغازات التقليدية في غضون السنتين أو الثلاث سنوات القادمة، وفي غضون خمس سنوات إلى سبع، قد تظهر أول وحدات من أجهزة الرفع من الرادارات من طراز 2D/III-V.

مدة أطول (7 إلى 15 سنة)

وإذا ما تم حل التحديات الحاسمة في التوليف ومقاومة الاتصال والاستقرار، يمكن أن تبدأ القنوات العاملة العاملة من طراز 2D بالاستعاضة عن المواد من طراز III-V في بعض تطبيقات مصطنع الطاقة، وبالنسبة للالكترونيات المرنة والمرتدية، فإن الجدول الزمني قد يكون أقصر لأن متطلبات الأداء أقل، والطلب على المرونة أكبر، وفي نهاية المطاف، فإن الاعتماد الواسع النطاق للمواد من أجهزة تثبيت القدرة سيتوقف على تطوير نظام إيكولوجي قوي ومركب.

لمنظور صناعي على خريطة الطريق من 2D تسويق المواد في الإلكترونيات، يشير إلى خط طريق برافين لرقابة التكنولوجيا .]

خاتمة

ويعاد تشكيل مستقبل تصميمات أجهزة تقوية الطاقة بالخصائص الاستثنائية للغرافيا وغيرها من المواد ذات الأبعاد المزدوجة، إذ أن تنقلها غير المتناظرة للشحنات، واتباعها بسلوكية حرارية، ومرونة آلية متأصلة، توفر مسارا لمضخمات الطاقة تكون أكثر كفاءة، واتباعا، واتساع النطاق، وقابلية للتفاوت من تلك التي تبنى على تكنولوجيات شبه موصلات تقليدية.

فالتطبيقات التي تُنفذ بقيادة بروتونية في 5 زاي و 6 زاي للاتصالات السلكية واللاسلكية، والرادار الدفاعي، والقابلات الطبية للزراعة، والاتصالات الساتلية توفر بالفعل جذبا قويا لهذه التكنولوجيات الناشئة، حيث أن التقنيات التوليفية وعمليات الصنع تحقق التوحيد والموثوقية اللازمين، فإن مضخمات الطاقة المادية 2D ستتحول من الفضول المختبرية إلى مكونات قابلة للاستمرار تجاريا، وسيصبح العقد المقبل محورا، حيث أن الحلول الهجينة تفسح المجال تدريجيا لجيل الجديد من المرتكز على الجيل

وبالنسبة للقراء المهتمين بإجراء دراسة تقنية أعمق، فإن مقالة الاستعراض في المواد التي تُستعرض على الطبيعة ] تعرض دراسة استقصائية ممتازة للميدان، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن العثور على منظور أقصر بشأن التوقعات الصناعية في ] مادة بحوث IBM المتعلقة بالعرافين وما بعده .]