Forskere opdager nyt materiale, der kan hjælpe med at drive elektronik

Elektronik styrer vores verden, men elektroner styrer vores elektronik. Et forskerhold ved Ohio State University har opdaget en måde at forenkle, hvordan elektroniske enheder bruger disse elektroner - ved hjælp af et materiale, der kan tjene to roller i elektronik, hvor historisk flere materialer har været nødvendige.

Holdet offentliggjorde sine resultater 18. marts i tidsskriftet Naturmaterialer .

"Vi har i det væsentlige fundet et materiale med dobbelt personlighed, sagde Joseph Heremans, medforfatter til undersøgelsen, professor i maskin- og rumfartsteknik og Ohio Eminent Scholar i nanoteknologi i Ohio State. "Det er et koncept, der ikke eksisterede før."

Deres resultater kan betyde en fornyelse af den måde, ingeniører skaber alle forskellige slags elektroniske enheder på. Dette inkluderer alt fra solceller, til lysdioderne i dit fjernsyn, til transistorerne i din bærbare computer, og til lyssensorerne i dit smartphone-kamera.

Disse enheder er byggestenene i elektricitet:Hver elektron har en negativ ladning og kan udstråle eller absorbere energi afhængigt af, hvordan den manipuleres. Huller - i det væsentlige, fraværet af en elektron - har en positiv ladning. Elektroniske enheder virker ved at flytte elektroner og huller - i det væsentlige leder elektricitet.

Men historisk set, hver del af den elektroniske enhed kunne kun fungere som elektronholder eller hulholder, ikke begge dele. Det betød, at elektronik havde brug for flere lag - og flere materialer - for at udføre.

Men Ohio State-forskerne fandt et materiale - NaSn ₂ Som ₂ , en krystal, der kan være både elektronholder og hulholder - hvilket potentielt eliminerer behovet for flere lag.

"Det er dette dogme i videnskaben, at du har elektroner eller du har huller, men du har ikke begge dele. Men vores resultater vender det på hovedet, sagde Wolfgang Windl, en professor i materialevidenskab og teknik ved Ohio State, og medforfatter til undersøgelsen. "Og det er ikke sådan, at en elektron bliver til et hul, fordi det er den samme samling af partikler. Her, hvis man ser på materialet på én måde, det ligner en elektron, men hvis du ser en anden vej, det ligner et hul."

Fundet kunne forenkle vores elektronik, måske skabe mere effektive systemer, der fungerer hurtigere og bryder ned sjældnere.

Tænk på det som en Rube Goldberg-maskine, eller 1960'ernes brætspillet Mouse Trap:jo flere brikker der er i spil og jo flere bevægelige dele, jo mindre effektivt strømmer energien gennem systemet – og jo mere sandsynligt er der noget, der fejler.

"Nu, vi har denne nye familie af lagdelte krystaller, hvor bærerne opfører sig som elektroner, når de rejser inden for hvert lag, og huller, når du rejser gennem lagene. ... Du kan forestille dig, at der måske er nogle unikke elektroniske enheder, du kunne skabe, " sagde Joshua Goldberger, lektor i kemi og biokemi ved Ohio State.

Forskerne kaldte dette dobbeltevne-fænomen "goniopolaritet". De mener, at materialet fungerer på denne måde på grund af dets unikke elektroniske struktur, og sige, at det er sandsynligt, at andre lagdelte materialer kunne udvise denne egenskab.

"Vi har bare ikke fundet dem endnu, " sagde Heremans. "Men nu ved vi, at vi skal lede efter dem."

Forskerne gjorde opdagelsen næsten ved et uheld. En kandidatstuderende forsker i Heremans' laboratorium, Bin He, målte krystallens egenskaber, da han bemærkede, at materialet nogle gange opførte sig som en elektronholder og nogle gange som en hulholder - noget der på det tidspunkt, videnskaben troede var umuligt. Han troede måske han havde lavet en fejl, kørte eksperimentet igen og igen, og fik samme resultat.

"Det var denne ting, han var opmærksom på, og han antog ikke noget, " sagde Heremans.