Силовые электронные устройства управляют потоком электричества и преобразуют его для электромобилей, возобновляемой энергетики и промышленной техники. Часть энергии при этом теряется в виде тепла, что снижает эффективность и может вредить работе прибора. Полупроводники, способные выдерживать высокое напряжение, хорошо проводить ток и отводить тепло, сделали бы такие устройства надежнее.

Один из кандидатов - альфа-оксид галлия (a-Ga2O3): он выдерживает очень сильные электрические поля. Но ученые пока плохо понимают, насколько легко в нем движутся электроны и как хорошо он отводит тепло. Именно эти свойства важны для надежной электроники.

Специалисты Университета Хоккайдо и Киотского университета вырастили тонкие пленки альфа-оксида галлия методом туманного химического осаждения из газовой фазы: материал осаждают на подложку из мелкодисперсного тумана раствора. В пленки добавляли небольшие количества германия - элемента, который поставляет материалу проводящие электроны. Меняя концентрацию германия, авторы изучали, как она влияет на перенос электричества и тепла. Работа опубликована в журнале ACS Applied Electronic Materials.

Сначала команда измерила электрические свойства пленок, включая концентрацию электронов и термоэдс - напряжение, возникающее на единицу разницы температур. Затем исследователи оценили эффективную массу электронов, то есть то, насколько тяжелыми они себя ведут внутри материала. Получилось примерно 40 процентов от массы свободного электрона - больше теоретически предсказанных 25 процентов. Это расхождение может частично объяснять, почему электроны в альфа-оксиде галлия движутся медленнее, чем ожидалось.

Далее ученые измерили, как эффективно пленки проводят тепло. Теплопроводность составила около 19 ватт на метр-кельвин и почти не менялась при росте концентрации германия. Вместе результаты показывают: добавка германия улучшает движение электронов, но заметно не влияет на перенос тепла.

Авторы подчеркивают: полученные данные - основа для проектирования будущих силовых приборов, а не готовое решение. Чтобы превратить понимание в улучшение характеристик устройств, нужны дальнейшие исследования.

Источник: Phys.org