据估计，目前世界上50%的电力由功率器件控制，预计在不到十年的时间里，这一数字将增加到80%，同时，到2050年，电力需求将增加50%。

根据美国国家科学院、工程院和医学院的一份新报告，“成功实现能源转型的最大技术风险可能是国家无法选址、现代化和建设电网的风险。如果不增加输电能力，可再生能源的部署将被推迟，最终结果可能至少是化石燃料排放暂时增加，从而阻止其实现减排目标。

“为了满足这些电力需求并使电网现代化，我们从传统材料（如硅）转向我们今天看到的新材料（如碳化硅）和下一代半导体（超宽带隙材料）非常重要，例如氮化铝、金刚石和相关化合物，”电气和计算机工程教授Can Bayram说，他与研究生韩卓然一起领导了这项研究。这项工作的结果发表在IEEE Electron Device Letters杂志上。

大多数半导体都是用硅制造的，到目前为止，已经满足了社会的电气需求。但正如 Bayram 所指出的，“我们希望确保我们有足够的资源供每个人使用，同时我们的需求也在不断发展。现在，我们正在使用越来越多的带宽，我们正在创建更多的数据（这也伴随着更多的存储），我们正在使用更多的电力，更多的电力，以及更多的能源。问题是：有没有办法让这一切更有效率，而不是产生更多的能源和建造更多的发电厂？

金刚石是一种超宽间隙半导体，具有最高的导热性，这是一种材料传递热量的能力。由于这些特性，与硅等传统半导体材料相比，金刚石半导体器件可以在更高的电压和电流下工作（使用更少的材料），并且仍然可以散热而不会降低电气性能。“要有一个需要大电流和高电压的电网，这使得太阳能电池板和风力涡轮机等应用更加高效，那么我们需要一种没有热限制的技术。这就是钻石的用武之地，“Bayram 说。

尽管许多人将钻石与昂贵的珠宝联系在一起，但钻石可以在实验室中以更实惠和可持续的方式制造，使其成为一种可行且重要的半导体替代品。天然钻石是在巨大的压力和热量下在地球表面深处形成的，但由于它本质上只是碳（其中有大量的碳），人工合成的钻石可以在数周而不是数十亿年内制造出来，同时产生的碳排放量也减少了 100 倍。

在这项工作中，Bayram 和Zhuoran Han 表明他们的金刚石器件可以承受大约 5 kV 的高电压，尽管电压受到测量设置的限制，而不是设备本身的限制。理论上，该器件可以承受高达 9 kV 的电压。这是金刚石器件报告的最高电压。除了最高的击穿电压外，该器件还具有最低的漏电流，这可以被认为是一个漏水的水龙头，但具有能量。漏电流会影响器件的整体效率和可靠性。

Zhuoran Han说：“我们制造了一种更适合未来电网和其他电力应用的高功率、高电压应用的电子设备。我们采用超宽禁带材料人造金刚石制造了这款器件，与当前一代器件相比，该器件具有更高的效率和更好的性能。希望我们能继续优化这个设备和其他配置，以便我们能够接近金刚石材料潜力的性能极限。

参考资料：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10236581