Azotek galu to krzem przyszłości

Anker zadebiutował swoją nową, malutką cegłę energetyczną, a firma przypisuje jej niewielkie rozmiary składnikowi, którego używa zamiast krzemu: azotkowi galu (GaN). Jest to najnowszy przykład rosnącej popularności tego przezroczystego, szklano-podobnego materiału, który pewnego dnia może wyprzeć krzem i zmniejszyć zużycie energii na całym świecie.

Przez dziesięciolecia krzem był podstawą przemysłu technologicznego, ale „osiągamy teoretyczny limit tego, jak bardzo można go ulepszyć”, mówi Danqing Wang, doktorant na Uniwersytecie Harvarda, który prowadzi badania nad GaN. Wszystkie materiały mają „przerwę w paśmie”, która jest związana z tym, jak dobrze mogą one przewodzić prąd. GaN ma szerszą przerwę w paśmie niż krzem, co oznacza, że może wytrzymać wyższe napięcia niż krzem, a prąd może przepływać przez urządzenie szybciej, mówi Martin Kuball, fizyk z Uniwersytetu w Bristolu, który prowadzi projekt dotyczący GaN w energoelektronice. (W filmie, powyżej, Kuball pomaga wyjaśnić GaN jako zespół Verge Science rozrywa nową ładowarkę Anker.)

W rezultacie, elektronika GaN są znacznie bardziej wydajne niż ich odpowiedniki krzemowe, a oni tracą mniej energii. „Możesz zrobić rzeczy bardzo małe, lub możesz upakować więcej GaN w tym samym obszarze”, mówi Wang. „Wydajność jest lepsza”. A kiedy tracisz mniej energii, nie tylko możesz sprawić, że urządzenia ładujące będą mniejsze, ale możesz również użyć mniejszej mocy w pierwszej kolejności. Według Kuballa, zastąpienie całej obecnej elektroniki GaN mogłoby potencjalnie zmniejszyć zużycie energii o 10 lub 25 procent.

Plus, ponieważ GaN może przetrwać w wyższych temperaturach niż krzem, używanie go może wpłynąć na projektowanie w bardziej skomplikowanych środowiskach. Obecnie, elektronika w samochodzie jest montowana z dala od silnika, aby nie nagrzewała się zbytnio, mówi Kuball. GaN usuwa to ograniczenie i może otworzyć nowe możliwości, które zmienią sposób projektowania samochodów w przyszłości.

Materiał ten od dawna dominuje w innej dziedzinie: laserach i fotonice. GaN jest jednym z niewielu materiałów, które wydzielają niebieskie światło; jest on używany w Blu-ray, aby umożliwić odczytywanie płyt. Jest również często stosowany w diodach LED. Zespół Wanga tworzy maleńkie lasery GaN wielkości mikrona – co stanowi 1/100 wielkości ludzkiego włosa i jest zbyt małe, aby zobaczyć je gołym okiem – które mogą być używane w mikroskopach, aby badania były bardziej precyzyjne.

Fotonika na bok, dlaczego nie zastąpiliśmy jeszcze krzemu przez GaN? „Krzem jest bardzo dojrzały”, mówi Kuball. „Ludzie są do niego przyzwyczajeni i robią to już od dłuższego czasu, i oczywiście to, co się okazuje, gdy wprowadzasz nowy rodzaj materiału lub elektroniki, to konieczność ciągłego testowania go pod kątem niezawodności”. GaN nie jest również idealnym materiałem, dodaje Wang, ponieważ niektóre metody jego uprawy mogą powodować defekty, które czynią go mniej efektywnym.

Ale jesteśmy przyzwyczajeni do krzemu. Jest tani, a wszystkie techniki produkcji są już ustawione dla niego. GaN jest wciąż nieco droższy. „To wymaga trochę wysiłku, aby przejść do azotku galu,” mówi Wang, choć ona zwraca uwagę, że niektórzy ludzie patrzą na sposoby wzrostu kryształów azotku galu na górze krzemu w nadziei skorzystania z istniejących platform produkcyjnych. Ze swojej strony, Anker mówi, że choć GaN jest droższy niż krzem w tej chwili, GaN ładowarki potrzebują mniej komponentów niż ładowarki krzemowe, co czyni ich cena konkurencyjna. Firma ma nadzieję na wykorzystanie materiałów GaN w innych komponentach, w tym w przenośnych bateriach.

Duzi producenci półprzewodników, tacy jak Texas Instruments i Nexperia, mają programy badawcze GaN, według Kuballa, i nie brakuje startupów pracujących nad tą technologią. Mimo to, musimy jeszcze zobaczyć prawdziwy wpływ GaN w dziedzinie elektroniki mocy. „Te małe adaptery to fajna zabawka, ale GaN będzie miał prawdziwe znaczenie w konwerterach dla samochodów elektrycznych i fotowoltaiki” – dodaje Kuball. W międzyczasie „to fajna mała rzecz, aby mieć coś mniejszego.”

Update Luty 12, 2019, 10AM ET: Ten artykuł został pierwotnie opublikowany 2 listopada 2018 r., I został zaktualizowany, aby uwzględnić wideo.

Update November 2nd, 2018, 9:20AM: Ten post został zaktualizowany w celu uwzględnienia oświadczenia firmy Anker.