Onderzoekers van de Universiteit van Texas in Dallas hebben technologie ontwikkeld die de eerste stap zou kunnen zijn in de richting van draagbare computers met onafhankelijke stroombronnen of, meer onmiddellijk, een smartphone die niet doodgaat na een paar uur intensief gebruik.

Deze technologie, online gepubliceerd in Natuurcommunicatie , maakt gebruik van de kracht van een enkel elektron om het energieverbruik in transistors te beheersen, die de kern vormen van de meeste moderne elektronische systemen.

Onderzoekers van de Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science ontdekten dat door het toevoegen van een specifieke atomaire dunne filmlaag aan een transistor, de laag fungeerde als een filter voor de energie die er bij kamertemperatuur doorheen ging. Het signaal dat uit het apparaat voortkwam, was zes tot zeven keer steiler dan dat van traditionele apparaten. Steile apparaten gebruiken minder spanning maar hebben nog steeds een sterk signaal.

"De hele halfgeleiderindustrie is op zoek naar steile apparaten omdat ze essentieel zijn voor het hebben van kleine, krachtig, mobiele apparaten met veel functies die snel werken zonder veel batterijvermogen te verbruiken, " zei Dr. Jiyoung Kim, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de Jonsson School en auteur van het artikel. "Ons apparaat is een oplossing om dit mogelijk te maken."

Het unieke en subtiele gedrag van een enkel elektron aanboren is de meest energie-efficiënte manier om signalen in elektronische apparaten te verzenden. Omdat het signaal zo klein is, het kan gemakkelijk worden verdund door thermische geluiden bij kamertemperatuur. Om dit kwantumsignaal te zien, ingenieurs en wetenschappers die elektronische apparaten bouwen, gebruiken meestal externe koeltechnieken om de thermische energie in de elektronenomgeving te compenseren. Het filter dat door de onderzoekers van de UT Dallas is gemaakt, is een manier om de thermische ruis effectief uit te filteren.

Dr. Kyeongjae "K.J." Cho, hoogleraar materiaalkunde en techniek en natuurkunde en een auteur van het papier, was het erover eens dat transistors die met deze filtertechniek zijn gemaakt, een revolutie teweeg kunnen brengen in de halfgeleiderindustrie.

"Het feit dat de thermische spreiding in moderne transistors moet worden gekoeld, beperkt hoe kleine consumentenelektronica kan worden gemaakt, " zei Cho, die geavanceerde modelleringstechnieken gebruikten om de laboratoriumverschijnselen te verklaren. "We hebben een techniek bedacht om de elektronen intern te koelen - waardoor de bedrijfsspanning kan worden verlaagd - zodat we nog kleinere, energiezuinigere apparaten."

Elke keer dat een apparaat zoals een smartphone of tablet een computer berekent, heeft het elektrische stroom nodig voor gebruik. Het verlagen van de bedrijfsspanning zou voor deze en andere producten een langere houdbaarheid betekenen. Apparaten met een lager vermogen kunnen computers betekenen die met of over kleding worden gedragen waarvoor geen externe stroombron nodig is, onder andere.

Om deze technologie te creëren, onderzoekers voegden een dunne film van chroomoxide op het apparaat toe. die laag, bij kamertemperatuur van ongeveer 80 graden Fahrenheit, gefilterd de koeler, stabiele elektronen en zorgden voor stabiliteit aan het apparaat. Normaal gesproken, die stabiliteit wordt bereikt door het hele elektronische halfgeleiderapparaat af te koelen tot cryogene temperaturen - ongeveer min 321 graden Fahrenheit.

Een andere innovatie die werd gebruikt om deze technologie te creëren, was een verticaal lagensysteem, wat praktischer zou zijn naarmate apparaten kleiner worden.

"Een manier om het apparaat kleiner te maken, is door het verticaal te maken, zodat de stroom van boven naar beneden stroomt in plaats van de traditionele van links naar rechts, " zei Kim, die de dunne laag aan het apparaat heeft toegevoegd.

Laboratoriumtestresultaten toonden aan dat het apparaat bij kamertemperatuur een signaalsterkte van elektronen had die vergelijkbaar was met conventionele apparaten bij min 378 graden Fahrenheit. Het signaal behield alle andere eigenschappen. Onderzoekers zullen deze techniek ook uitproberen op elektronen die worden gemanipuleerd door middel van opto-elektronische en spintronische (lichte en magnetische) middelen.

De volgende stap is om dit filtersysteem uit te breiden naar halfgeleiders die zijn vervaardigd in Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS)-technologie.

"Elektronica uit het verleden was gebaseerd op vacuümbuizen, " zei Cho. "Die apparaten waren groot en vereisten veel stroom. Daarna ging het veld naar bipolaire transistors vervaardigd in CMOS-technologie. We worden nu opnieuw geconfronteerd met een energiecrisis, en dit is een oplossing om energie te verminderen naarmate apparaten kleiner en kleiner worden."