Fotodielektrisk opdagelse bringer ny optisk kontrol til elektronik

Karakterer i nogle af de mere futuristiske science fiction -film, som "Minority Report" og "Iron Man, "kontrolcomputerskærme med glatte og bevidste håndbevægelser. I" Minoritetsrapport, " hovedpersonen, spillet af Tom Cruise, bruger handsker, der lyser ved fingerspidserne og giver ham kraften i virtuel manipulation. Lyset ser ud til at give ham mulighed for at styre skærmen, som var det en berøringsskærm, men han rører ikke andet end luft.

At teknologien stadig er science fiction, men en ny undersøgelse kan bringe det tættere på virkeligheden. Et team af forskere fra Japan rapporterer i denne uge i Anvendt fysik bogstaver , at de har opdaget et fænomen kaldet den fotodielektriske effekt, hvilket kan føre til laserstyrede berøringsskærme.

En række grundlæggende kredsløbskomponenter er blevet udviklet ud over deres traditionelle elbaserede designs for i stedet at kunne styres med lys, såsom foto-modstande, fotodioder, og fototransistorer. Imidlertid, der er endnu ikke en fotokondensator.

"En fotokondensator giver en ny måde at betjene elektroniske enheder med lys, "sagde Hiroki Taniguchi fra University of Nagoya i Japan." Det vil skubbe udviklingen af ​​elektronik til næste generations fotoelektronik. "

Kondensatorer er grundkomponenter til alle former for elektronik, virker lidt som spande for elektroner, der kan, for eksempel, lagre energi eller filtrere uønskede frekvenser. Simpelthen, en kondensator består af to parallelt ledende plader adskilt af et elektrisk isolerende materiale, kaldes et dielektrikum, såsom luft eller glas. Anvendelse af en spænding over pladerne får modsatrettede (og lige) ladninger til at bygge op på begge plader.

Dielektrikens egenskaber spiller en afgørende rolle i det elektriske feltprofil mellem pladerne og, på tur, hvor meget energi kondensatoren kan lagre. Ved at bruge lys til at øge en egenskab ved det dielektrikum kaldet permittivitet, Taniguchi og hans kolleger håber at skabe lysstyrede kondensatorer.

Tidligere forskere har opnået en type foto-dielektrisk effekt ved hjælp af forskellige materialer, men stolede på fotokonduktans, hvor lys øgede materialets elektriske ledningsevne. Stigningen i konduktans, det viser sig, fører til større dielektrisk permittivitet.

Men denne form for ekstern fotodielektrisk effekt er ikke egnet til praktiske anvendelser, Sagde Taniguchi. En kondensator skal være en god isolator, forhindrer elektrisk strøm i at strømme. Men under den ekstrinsiske fotodielektriske effekt, en kondensators isolerende egenskaber forringes. Ud over, en sådan kondensator ville kun fungere med lavfrekvent vekselstrøm.

Nu har Taniguchi og hans kolleger fundet en iboende fotodielektrisk effekt i en keramik med sammensætningen LaAl9.9Zn0.01O3-δ. "Vi har demonstreret eksistensen af ​​den fotodielektriske effekt eksperimentelt, " han sagde.

I deres eksperimenter, de skinnede en lysemitterende diode (LED) på keramikken og målte dens dielektriske permittivitet, som steg selv ved høje frekvenser. Men i modsætning til tidligere eksperimenter, der brugte den ekstrinsiske fotodielektriske effekt, materialet forblev en god isolator.

Manglen på et betydeligt tab betyder, at LED'en direkte ændrer materialets dielektriske permittivitet, og, i særdeleshed, øger ikke konduktansen, som det er tilfældet med den ekstrinsiske effekt. Det er stadig uklart, hvordan den iboende fotodielektriske effekt virker, Taniguchi sagde, men det kan have at gøre med defekter i materialet.

Lys ophidser elektroner til højere (kvantiserede) energitilstande, men kvantetilstandene for defekter er begrænset til mindre regioner, hvilket kan forhindre disse foto-eksiterede elektroner i at rejse langt nok til at generere en elektrisk strøm. Hypotesen er, at elektronerne forbliver fanget, hvilket fører til mere elektrisk isolering af det dielektriske materiale.

Mere forskning er nødvendig, før vi ser lysstyrede skærme, men arbejdet er et vigtigt skridt for feltet. Yderligere forskning vil øge effekten endnu mere, minimere enhver energispredning på grund af et fald i dielektriske egenskaber, og optimere materialefremstillingsprocessen, Sagde Taniguchi. Yderligere undersøgelser kan også afsløre nye materialer, der er bedre egnet til andre elektronikapplikationer.