Puslaidininkiai komponentai be įprastinių puslaidininkinių medžiagų – jau realybė

puslaid

Inžinieriai iš Kalifornijos San Diego universiteto (JAV) pagamino pirmąjį optiškai kontroliuojamą puslaidininkinį mikroelektronikos komponentą, kuriame nėra įprastinių puslaidininkių medžiagų, tokių kaip silicis, galis, kuriems puslaidininkes savybes suteikia priemaišos.

Jie pasinaudojo nauja medžiagų klase – metamedžiagomis, ir pagamino mikroelektronikos komponentą, kuris, veikiamas žemos įtampos ir nedidelės galios lazerio spindulio, gali net 1000 procentų padidinti savo elektros laidumą.

Šis atradimas atveria kelią mikroelektronikos prietaisams, kurie galėtų būti greitesni ir galėtų valdyti didesnę galią, nei įprastiniai puslaidininkiai, taip pat gali būti naudingi ir kitose srityse, pavyzdžiui, kuriant efektyvesnius saulės elementus ar įvairius jutiklius.

 

Dabartinių mikroelektronikos prietaisų pavyzdžiui, tranzistorių, diodų, galimybes riboja jų sudėtinių medžiagų savybės.

Pavyzdžiui, puslaidininkių komponentai gali praleisti tik ribotą elektros srovę. Norint valdyti per juos einantį elektronų srautą, puslaidininkiams taip pat reikia ir išorinių energijos impulsų. Elektronų greitis juose yra ribotas, nes elektronai, tekėdami per puslaidininkius, nuolat susiduria su atomais, dėl to dalis energijos yra prarandama kaip šiluma.

Mikroelektroninis įrenginys be puslaidininkių medžiagų
Mikroelektroninis įrenginys be puslaidininkių medžiagų

Tyrėjų grupė iš San Diego universiteto nutarė įveikti šias riboto laidumo kliūtis, pakeičiant puslaidininkius tiesiog laisvais elektronais, panašiai kaip vakuuminėse lempose, tik mikroskopiniu masteliu.

Tačiau išlaisvinti elektronus iš medžiagų yra keblu. Tam reikia arba nemažos įtampos (ne mažiau kaip 100 V), arba didelės galios lazerių, ar aukštos temperatūros (daugiau nei 1000 laipsnių Celsijaus), ir visi šie būdai nėra praktiški mikro ir nano elektronikos prietaisams.

 

Norėdami išspręsti šią problemą, mokslininkai pagamino mikroskopinį įrenginį, kuris gali išlaisvinti elektronus iš medžiagos be tokių daug energijos reikalaujančių poveikių. Šis įrenginys – tai specialios formos paviršius, susidedantis iš pasikartojančių struktūrų, vadinamasis metapaviršius, esantis ant pagrindo – silicio plokštelės, su silicio dioksido sluoksniu tarp jų. Metapaviršių sudaro iš aukso padarytas į grybus panašių nanodarinių masyvas, išdėstytas ant lygiagrečių taip pat auksinių strypelių. Pats įrenginys yra vakume, kad elektronai galėttų laisvai judėti, nesusidurdami su oro molekulėmis.

 

Toks metapaviršius yra suprojektuotas taip, kad, paveikus nedidele įtampa (iki 10 voltų) ir mažos galios infraraudonųjų spindulių lazeriu, paviršiuje atsiranda vadinamieji „karštieji taškai“, kuriuose susikuria didelio intensyvumo elektros laukas – pakankamas, kad elektronai galėtų išlėkti iš metalo.

Skenuojančiu elektroniniu mikroskopu padaryti vaizdai: pats mikroelektronikos komponentas (viršuje kairėje) ir jo metapaviršius (viršuje dešinėje ir apačioje). Iliustracija: UC San Diego Applied Electromagnetics Group
Skenuojančiu elektroniniu mikroskopu padaryti vaizdai: pats mikroelektronikos komponentas (viršuje kairėje) ir jo metapaviršius (viršuje dešinėje ir apačioje). Iliustracija: UC San Diego Applied Electromagnetics Group

 

 

Bandymai pademonstravo, kad toks įrenginys, paveiktas žemos įtampos ir lazerio, gali pakeisti savo laidumą net 1000 procentų – tai yra nedidelės energijos poveikiais galima valdyti tokio įrenginio laidumą, panašiai, kaip ir įprastinių puslaidininkių.

 

„Toks metamedžiagų panaudojimas tikrai neleis pakeisti daugelio puslaidininkinių komponentų, tačiau labai gali tikti specialiems pritaikymams, pavyzdžiui, ypač aukštų dažnių ar didelės galios prietaisuose“, teigia vienas iš šio darbo autorių Danas Sievenpaiperis (Dan Sievenpiper).

 

Pasak mokslininko, šis metapaviršius buvo sumodeliuotas ir pagamintas kol kas kaip koncepcijos įrodymas. Tokie metapaviršiai gali turėti įvairiausias konfigūracijas, tinkamas vairių tipų mikroelektronikos prietaisams.

 

 

 

Be abejo, dar laukia daug eksperimentų ir tyrimų – reikia išsiaiškinti, kiek gali būti keičiamas metapaviršių mastelis, kol neprarandamos reikiamos jų savybės, ar gali tokios metamedžiagos ir metapaviršiai būti pritaikyti ir kitose srityse, kaip fotochemija, fotokatalizė, kas leistų kurti naujų tipų įrenginius.

 

Šis darbas buvo paskelbtas žurnale Nature Communications.

Ebrahim Forati et al, Photoemission-based microelectronic devices, Nature Communications (2016)

Semiconductor-free microelectronics are now possible, thanks to metamaterials