Een groep onderzoekers van het Fritz Haber Instituut van de Max Planck Society en de Humboldt-Universität zu Berlin hebben ontdekt dat een halfgeleider door licht gemakkelijker en sneller kan worden omgezet in een metaal en weer terug dan eerder werd gedacht. Deze ontdekking kan de verwerkingssnelheid verhogen en het ontwerp van veel gangbare technologische apparaten vereenvoudigen.

Veel van de technologie die tegenwoordig wordt gebruikt, is gebaseerd op transistors. Ze verbinden veel van de materialen waaruit deze apparaten bestaan, en zijn essentieel voor elke vorm van gegevensverwerking. Omdat transistoren zo belangrijk zijn, wetenschappers en ingenieurs hebben lang geprobeerd ze te optimaliseren door hun materiaaleigenschappen aan te passen, zodat ze flexibeler kunnen worden gebruikt. Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van het Fritz Haber Instituut van de Max Planck Society en de Humboldt-Universität zu Berlin heeft een belangrijke aanwijzing gevonden om dat te bereiken.

Transistoren bestaan ​​vaak uit halfgeleiders, materialen die elektriciteit geleiden, maar niet zo goed als metalen. In gewone transistoren, verschillende halfgeleiders worden gecombineerd om een ​​elektrische stroom te regelen. Helaas, dit beperkt de prestaties en grootte van het apparaat waarin ze zijn ingebouwd. "In principe, het zou ideaal zijn om slechts één materiaal te hebben dat alles kan, wanneer je het nodig hebt, " zegt Julia Stähler, Professor aan de Humboldt Universität zu Berlin, die de studie leidde aan het Fritz Haber Instituut.

Hoewel de geleidbaarheid van halfgeleiders kan worden veranderd door een chemisch proces genaamd "doping, " deze techniek, waarin atomen van de halfgeleider worden vervangen door andere atomen, heeft beperkingen. De eigenschappen van een materiaal kunnen worden veranderd, maar zal blijvend zo blijven. Onderzoekers zoeken een materiaal dat kan schakelen tussen verschillende eigenschappen. De groep van Julia Stähler heeft een antwoord op deze vraag gevonden:licht.

De wetenschappers die bij deze studie betrokken zijn, hebben het populaire halfgeleiderzinkoxide onderzocht en kwamen erachter dat door het met een laser te verlichten, het halfgeleideroppervlak kan in een metaal worden veranderd - en weer terug. Deze "foto-doping" wordt bereikt door foto-excitatie:het licht wijzigt de elektronische eigenschappen zodanig dat elektronen plotseling vrij bewegen en een elektrische stroom kan vloeien, zoals het zou zijn in metaal. Zodra het licht weer uit is, het materiaal wordt ook snel weer een halfgeleider.

"Dit mechanisme is een volledig nieuwe en verrassende ontdekking, " zegt Lukas Gierster, hoofdauteur en Ph.D. student in de groep van Stähler. "Drie dingen hebben ons in het bijzonder verrast:ten eerste, foto- en chemische doping gedragen zich zo veel op elkaar, ondanks dat het fundamenteel verschillende mechanismen zijn; twee, gigantische veranderingen kunnen worden bereikt met een zeer laag laservermogen; en drie, het metaal aan- en uitzetten gaat snel."

De conversie naar een metaal duurt slechts 20 femtoseconden, dat wil zeggen 20 miljoenste van een miljardste van een seconde. De snelheid van de hervorming van de halfgeleider was vooral verbazingwekkend omdat het orden van grootte sneller was dan in eerdere studies. Met andere woorden, licht is een ultrasnelle schakelaar die de kracht heeft om de halfgeleidende eigenschappen van zinkoxide omkeerbaar te veranderen in een metallisch gedrag.

Deze ontdekking kan zeer gunstig zijn voor toepassingen met hoogfrequente apparaten en ultrasnelle optisch gestuurde transistors door de verwerkingssnelheid te verhogen en het ontwerp van het apparaat te vereenvoudigen. "Onze gadgets kunnen sneller worden - en dus slimmer, " Julia Stähler zegt en voegt eraan toe:"Low-power, ultrasnel schakelen van geleidingseigenschappen zal ons hoge snelheid en ontwerpflexibiliteit bieden." Zij en haar groep zijn ervan overtuigd dat hetzelfde zal gelden voor andere halfgeleidende materialen, zodat hun ontdekking waarschijnlijk veel verder zal reiken dan alleen zinkoxide.