Đã có vi điện tử bán dẫn nhờ siêu vật liệu

Tin hoạt động

07/12/2016

Phát hiện này mở đường cho các thiết bị vi điện tử được nhanh hơn và khả năng xử lý nhiều quyền lực hơn, và cũng có thể dẫn đến tấm pin mặt trời hiệu quả hơn. Nghiên cứu được công bố ngày 04 tháng 11 trên tạp chí Nature Communications.

Các khả năng của các thiết bị vi điện tử hiện có, chẳng hạn như bóng bán dẫn, được cuối cùng bị giới hạn bởi các tính chất của vật liệu cấu thành của chúng, chẳng hạn như chất bán dẫn của họ, các nhà nghiên cứu cho biết.

Ví dụ, chất bán dẫn có thể áp đặt các giới hạn về độ dẫn điện của thiết bị, hoặc dòng electron. Chất bán dẫn có những gì được gọi là một khe hở, có nghĩa là họ yêu cầu một tăng năng lượng bên ngoài để có được các electron chảy qua chúng. Và vận tốc electron bị hạn chế, vì các electron đang liên tục va chạm với các nguyên tử khi chảy qua chất bán dẫn.

Một nhóm các nhà nghiên cứu trong Electromagnetics Nhóm Ứng dụng dẫn đầu bởi giáo sư kỹ thuật điện Dan Sievenpiper tại UC San Diego đã tìm cách loại bỏ những rào cản để dẫn bằng cách thay thế các chất bán dẫn với các electron tự do trong không gian. "Và chúng tôi muốn làm điều này ở micro," Ebrahim Forati, cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm Sievenpiper và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết.

Tuy nhiên, giải phóng các electron từ nguyên liệu là thách thức. Nó đòi hỏi phải có một trong hai ứng dụng điện áp cao (ít nhất là 100 Volts), laser công suất cao hoặc nhiệt độ rất cao (hơn 1.000 độ Fahrenheit), đó là không thực tế trong các thiết bị điện tử vi mô và nano.

Để giải quyết thách thức này, đội Sievenpiper của chế tạo một thiết bị siêu nhỏ mà có thể giải phóng các electron từ một loại vật liệu mà không cần yêu cầu cực đoan như vậy. Thiết bị bao gồm một bề mặt thiết kế, được gọi là một metasurface, trên đầu trang của một wafer silicon, với một lớp silicon dioxide ở giữa. Các metasurface bao gồm một mảng các cấu trúc nano nấm như vàng trên một mảng của dải vàng song song.

Các metasurface vàng được thiết kế như vậy mà khi một điện áp thấp DC (dưới 10 Volts) và một điện năng thấp laser hồng ngoại đều áp dụng, metasurface tạo ra "điểm nóng" - điểm với một điện trường có cường độ cao - cung cấp đủ năng lượng để kéo các electron ra khỏi kim loại và giải phóng chúng vào không gian.

Các thử nghiệm trên các thiết bị đã cho thấy một sự thay đổi 1.000 phần trăm trong dẫn. "Điều đó có nghĩa là các điện tử có sẵn nhiều hơn cho các thao tác," Ebrahim nói.

"Điều này chắc chắn sẽ không thay thế tất cả các thiết bị bán dẫn, nhưng nó có thể là phương pháp tốt nhất cho các ứng dụng đặc biệt nào đó, chẳng hạn như tần số rất cao hoặc thiết bị điện cao," Sievenpiper nói.

Theo các nhà nghiên cứu, metasurface đặc biệt này được thiết kế như là một bằng chứng của khái niệm. metasurfaces khác nhau sẽ cần phải được thiết kế và tối ưu hóa cho các loại khác nhau của các thiết bị vi điện tử.

"Tiếp theo chúng ta cần phải hiểu thế nào đến nay các thiết bị này có thể được thu nhỏ và giới hạn hiệu suất của họ," Sievenpiper nói. Nhóm nghiên cứu cũng đang tìm hiểu các ứng dụng khác cho công nghệ này ngoài thiết bị điện tử, chẳng hạn như quang, quang xúc tác, tạo điều kiện cho các loại thiết bị mới quang điện hoặc các ứng dụng môi trường.

Văn phòng CPSI

Theo Sciencedaily