Ny teknologi kan føre til langvarig strøm i mobile enheder

Forskere fra University of Texas i Dallas har skabt teknologi, der kunne være det første skridt mod bærbare computere med selvstændige strømkilder eller, mere umiddelbart, en smartphone, der ikke dør efter et par timers hårdt brug.

Denne teknologi, udgivet online i Naturkommunikation , udnytter kraften af ​​en enkelt elektron til at styre energiforbruget inde i transistorer, som er kernen i de fleste moderne elektroniske systemer.

Forskere fra Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science fandt ud af, at ved at tilføje et specifikt atomart tyndfilmlag til en transistor, laget fungerede som et filter for den energi, der passerede gennem det ved stuetemperatur. Signalet, der kom fra enheden, var seks til syv gange stejlere end traditionelle enheder. Stejle enheder bruger mindre spænding, men har stadig et stærkt signal.

"Hele halvlederindustrien leder efter stejle enheder, fordi de er nøglen til at have små, magtfulde, mobile enheder med mange funktioner, der fungerer hurtigt uden at bruge meget batteristrøm, " sagde Dr. Jiyoung Kim, professor i materialevidenskab og teknik i Jonsson School og forfatter til papiret. "Vores enhed er en løsning til at få dette til at ske."

At udnytte den unikke og subtile opførsel af en enkelt elektron er den mest energieffektive måde at transmittere signaler på i elektroniske enheder. Da signalet er så lille, det kan let fortyndes af termiske lyde ved stuetemperatur. For at se dette kvantesignal, ingeniører og videnskabsmænd, der bygger elektroniske enheder, bruger typisk eksterne køleteknikker til at kompensere for den termiske energi i elektronmiljøet. Filteret skabt af UT Dallas-forskerne er en vej til effektivt at bortfiltrere den termiske støj.

Dr. Kyeongjae "K.J." Cho, professor i materialevidenskab og teknik og fysik og forfatter til papiret, enige om, at transistorer fremstillet af denne filtreringsteknik kunne revolutionere halvlederindustrien.

"At skulle afkøle den termiske spredning i moderne transistorer begrænser, hvor lille forbrugerelektronik kan fremstilles, " sagde Cho, som brugte avancerede modelleringsteknikker til at forklare laboratoriefænomenerne. "Vi udtænkte en teknik til at afkøle elektronerne internt - hvilket muliggør reduktion af driftsspændingen - så vi kan skabe endnu mindre, mere strømbesparende enheder."

Hver gang en enhed såsom en smartphone eller en tablet beregner, kræver den elektrisk strøm til drift. Reduktion af driftsspændingen vil betyde længere holdbarhed for disse produkter og andre. Enheder med lavere strømforbrug kan betyde computere, der bæres med eller oven på tøj, der ikke kræver en ekstern strømkilde, blandt andet.

For at skabe denne teknologi, forskere tilføjede en chromoxid tynd film på enheden. Det lag, ved stuetemperatur på omkring 80 grader Fahrenheit, filtrerede køleren, stabile elektroner og gav stabilitet til enheden. Normalt, den stabilitet opnås ved at afkøle hele den elektroniske halvlederenhed til kryogene temperaturer - omkring minus 321 grader Fahrenheit.

En anden innovation, der blev brugt til at skabe denne teknologi, var et lodret lagdelingssystem, hvilket ville være mere praktisk, efterhånden som enheder bliver mindre.

"En måde at formindske enhedens størrelse er ved at gøre den lodret, så strømmen flyder fra top til bund i stedet for den traditionelle venstre mod højre, " sagde Kim, hvem tilføjede det tynde lag til enheden.

Laboratorietestresultater viste, at enheden ved stuetemperatur havde en signalstyrke af elektroner svarende til konventionelle enheder ved minus 378 grader Fahrenheit. Signalet bibeholdt alle andre egenskaber. Forskere vil også prøve denne teknik på elektroner, der manipuleres gennem optoelektroniske og spintroniske - lette og magnetiske - midler.

Det næste trin er at udvide dette filtreringssystem til halvledere fremstillet i Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) teknologi.

"Fortidens elektronik var baseret på vakuumrør, " sagde Cho. "De enheder var store og krævede meget strøm. Derefter gik feltet til bipolære transistorer fremstillet i CMOS-teknologi. Vi står nu igen over for en energikrise, og dette er en løsning til at reducere energien, efterhånden som enheder bliver mindre og mindre."