Ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben de eerste halfgeleidervrije, optisch gestuurd micro-elektronisch apparaat. Metamaterialen gebruiken, ingenieurs waren in staat om een ​​apparaat op microschaal te bouwen dat een 1 laat zien. 000 procent toename in geleidbaarheid wanneer geactiveerd door laagspanning en een laser met laag vermogen.

De ontdekking maakt de weg vrij voor micro-elektronische apparaten die sneller zijn en meer vermogen aankunnen, en kan ook leiden tot efficiëntere zonnepanelen. Het werk werd op 4 november gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

De mogelijkheden van bestaande micro-elektronische apparaten, zoals transistoren, worden uiteindelijk beperkt door de eigenschappen van hun samenstellende materialen, zoals hun halfgeleiders, aldus onderzoekers.

Bijvoorbeeld, halfgeleiders kunnen grenzen stellen aan de geleidbaarheid van een apparaat, of elektronenstroom. Halfgeleiders hebben een zogenaamde band gap, wat betekent dat ze een boost van externe energie nodig hebben om elektronen er doorheen te laten stromen. En de elektronensnelheid is beperkt, omdat elektronen constant in botsing komen met atomen terwijl ze door de halfgeleider stromen.

Een team van onderzoekers in de Applied Electromagnetics Group onder leiding van professor elektrotechniek Dan Sievenpiper aan de UC San Diego probeerde deze wegversperringen naar geleidbaarheid te verwijderen door halfgeleiders te vervangen door vrije elektronen in de ruimte. "En we wilden dit op microschaal doen, " zei Ebrahim Forati, een voormalig postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Sievenpiper en eerste auteur van de studie.

Echter, het vrijmaken van elektronen uit materialen is een uitdaging. Het vereist ofwel het toepassen van hoge spanningen (minimaal 100 Volt), krachtige lasers of extreem hoge temperaturen (meer dan 1, 000 graden Fahrenheit), die niet praktisch zijn in elektronische apparaten op micro- en nanoschaal.

Om deze uitdaging aan te gaan, Het team van Sievenpiper heeft een apparaat op microschaal gefabriceerd dat elektronen uit een materiaal kan vrijmaken zonder zulke extreme eisen. Het apparaat bestaat uit een geconstrueerd oppervlak, een meta-oppervlak genoemd, bovenop een siliciumwafel, met daartussen een laag siliciumdioxide. Het meta-oppervlak bestaat uit een reeks gouden paddestoelachtige nanostructuren op een reeks parallelle gouden strips.

Het gouden meta-oppervlak is zo ontworpen dat wanneer een lage gelijkspanning (minder dan 10 volt) en een laagvermogen infraroodlaser beide worden toegepast, het meta-oppervlak genereert "hotspots" - plekken met een elektrisch veld met een hoge intensiteit - die voldoende energie leveren om elektronen uit het metaal te trekken en ze in de ruimte te bevrijden.

Tests op het apparaat toonden een 1, 000 procent verandering in geleidbaarheid. "Dat betekent meer beschikbare elektronen voor manipulatie, ' zei Ebrahim.

"Dit zal zeker niet alle halfgeleiderapparaten vervangen, maar het kan de beste aanpak zijn voor bepaalde speciale toepassingen, zoals zeer hoge frequenties of apparaten met een hoog vermogen, ' zei Sievenpiper.

Volgens onderzoekers, dit specifieke meta-oppervlak is ontworpen als een proof-of-concept. Er zullen verschillende meta-oppervlakken moeten worden ontworpen en geoptimaliseerd voor verschillende soorten micro-elektronische apparaten.

"Vervolgens moeten we begrijpen hoe ver deze apparaten kunnen worden geschaald en wat de limieten van hun prestaties zijn, " zei Sievenpiper. Het team onderzoekt naast elektronica ook andere toepassingen voor deze technologie, zoals fotochemie, fotokatalyse, nieuwe soorten fotovoltaïsche apparaten of milieutoepassingen mogelijk te maken.