De meeste elektronische apparaten bevatten momenteel op silicium gebaseerde chips. Andere halfgeleidende materialen tonen potentieel, maar verder onderzoek nodig om commercieel levensvatbaar te worden. Onderzoekers van KAUST hebben een dergelijk materiaal, metaalnitride-nanodraden, grondig geanalyseerd, waardoor ze een stap dichter bij bruikbaarheid komen.

Wanneer metaalnitride-halfgeleiders worden gerangschikt in draden van nanoformaat, worden ze extra gevoelig voor licht, mogelijkheden voor optische elektronica openen. Een opmerkelijke uitdaging is echter dat, hoewel metaalnitride nanodraden goed presteren bij lage temperaturen, thermische effecten kunnen hun prestaties bij kamertemperatuur sterk beïnvloeden. Om dit probleem aan te pakken, Nasir Alfaraj met zijn Ph.D. supervisor Xiaohang Li en collega's van KAUST hebben de meest gedetailleerde studie tot nu toe gemaakt van deze thermische effecten.

De onderzoekers maakten op galliumnitride (GaN) gebaseerde nanodraden in een p-i-n-structuur - een sandwich met lagen van zogenaamde p-type en n-type versies van de halfgeleider die een ongewijzigde laag omringen. N-type halfgeleiders zijn gedoteerd met materialen die extra elektronen leveren, terwijl p-types zijn gedoteerd met materialen met minder elektronen, waardoor "gaten" in de kristalstructuur achterblijven. Zowel elektronen als gaten fungeren als ladingsdragers, halfgeleiderapparaten hun nuttige elektronische eigenschappen geven.

"GaN-gebaseerde p-i-n nanodraden zijn geschikt voor het fabriceren van signaalverzwakkers, hoogfrequente digitale schakelaars en hoogwaardige fotodetectoren, "zei Alfaraj. "Toch, hun prestaties worden negatief beïnvloed wanneer elektronen en gaten recombineren, vooral dicht bij kamertemperatuur."

Specifieker, wanneer een elektrisch veld over een nanodraad werkt, de balans van elektronen en gaten kan worden beïnvloed, het wegpompen van warmte van het apparaat in de vorm van warmtestraling. De apparaten fungeren effectief als minikoelkasten, en hun prestaties nemen af ​​naarmate ze afkoelen.

Om dit effect te kwantificeren, Alfaraj en collega's richtten een titanium-saffierlaser op hun nanodraden en maten de fotoluminescente emissies die uit het monster kwamen. Vervolgens konden ze de "foto-geïnduceerde entropie" van het systeem berekenen:een thermodynamische grootheid die de niet-beschikbaarheid van de energie van een systeem voor omzetting in werk als gevolg van luminescentiekoeling vertegenwoordigt.

Bij systeemtemperaturen boven 250 K, de niet-stralings-recombinatieprocessen van elektronen en gaten worden dominant - elektronen vallen in gaten, waardoor de foto-geïnduceerde entropie toeneemt en de prestaties van het apparaat afnemen.

"We zijn van plan foto-geïnduceerde entropie in andere materialen te onderzoeken, zoals aluminium-gallium-nitride en zinkoxide nanodraden, " zei Alfaraj. "We zullen ook verschillende nanodraaddiameters vergelijken en andere structuren onderzoeken, zoals dunne films."

Deze studies zullen ingenieurs helpen bij het maken van metaalnitride nanodraad-apparaten die thermisch stabiel en geschikt zijn voor dagelijks gebruik.