Открытие открывает путь для микроэлектронных устройств, которые работают быстрее и способны обрабатывать больше энергии, а также могут привести к более эффективным солнечным панелям. Работа опубликована ноя. 4 в Nature Communications.
По словам исследователей, возможности существующих микроэлектронных устройств, таких как транзисторы, в конечном итоге ограничены свойствами составляющих их материалов, таких как полупроводники.
Например, полупроводники могут накладывать ограничения на проводимость устройства или поток электронов. Полупроводники имеют так называемую запрещенную зону, что означает, что они требуют увеличения внешней энергии, чтобы электроны могли проходить через них. И скорость электронов ограничена, поскольку электроны постоянно сталкиваются с атомами, когда они проходят через полупроводник.
Группа исследователей из группы прикладной электромагнетики под руководством профессора электротехники Дэна Сивенпайпера из Калифорнийского университета в Сан-Диего стремилась устранить эти препятствия на пути к проводимости, заменив полупроводники свободными электронами в космосе. «И мы хотели сделать это на микромасштабе», — сказал Эбрагим Форати, бывший научный сотрудник лаборатории Зивенпайпера и первый автор исследования.
Однако высвобождение электронов из материалов является сложной задачей.
Для этого требуется либо высокое напряжение (не менее 100 вольт), либо мощные лазеры, либо чрезвычайно высокие температуры (более 1000 градусов по Фаренгейту), что непрактично в микро- и наноразмерных электронных устройствах.
Чтобы решить эту проблему, команда Сивенпайпера изготовила микромасштабное устройство, которое может высвобождать электроны из материала без таких экстремальных требований. Устройство состоит из специальной поверхности, называемой метаповерхностью, поверх кремниевой пластины со слоем диоксида кремния между ними.
Метаповерхность состоит из массива золотых грибовидных наноструктур на массиве параллельных золотых полос.
Золотая метаповерхность спроектирована таким образом, что при приложении низкого напряжения постоянного тока (ниже 10 В) и маломощного инфракрасного лазера метаповерхность генерирует «горячие точки» — пятна с электрическим полем высокой интенсивности, которые обеспечивают достаточно энергии для вытаскивать электроны из металла и выпускать их в космос.
Тесты на устройстве показали изменение проводимости на 1000 процентов. «Это означает, что больше доступных электронов для манипуляций», — сказал Эбрагим.
«Это определенно не заменит все полупроводниковые устройства, но это может быть лучшим подходом для определенных специализированных приложений, таких как устройства с очень высокими частотами или высокой мощностью», — сказал Сивенпайпер.
По словам исследователей, именно эта метаповерхность была разработана как доказательство правильности концепции.
Разные метаповерхности необходимо будет спроектировать и оптимизировать для разных типов микроэлектронных устройств.
«Затем нам нужно понять, насколько можно масштабировать эти устройства и пределы их производительности», — сказал Сивенпайпер.
Команда также изучает другие приложения этой технологии, помимо электроники, такие как фотохимия, фотокатализ, что позволяет создавать новые виды фотоэлектрических устройств или приложений для защиты окружающей среды.