Halvlederfri mikroelektronik er nu mulig, takket være metamaterialer

Ingeniører ved University of California San Diego har fremstillet den første halvlederfrie, optisk styret mikroelektronisk enhed. Brug af metamaterialer, ingeniører var i stand til at bygge en mikroskala enhed, der viser en 1, 000 procent stigning i ledningsevnen, når den aktiveres af lavspænding og en laveffektlaser.

Opdagelsen baner vejen for mikroelektroniske enheder, der er hurtigere og i stand til at håndtere mere strøm, og kan også føre til mere effektive solpaneler. Værket udkom 4. november i Naturkommunikation .

Mulighederne for eksisterende mikroelektroniske enheder, såsom transistorer, er i sidste ende begrænset af egenskaberne af deres bestanddele, såsom deres halvledere, sagde forskere.

For eksempel, halvledere kan sætte grænser for en enheds ledningsevne, eller elektronstrøm. Halvledere har det, der kaldes et båndgab, hvilket betyder, at de kræver et boost af ekstern energi for at få elektroner til at strømme gennem dem. Og elektronhastigheden er begrænset, da elektroner konstant kolliderer med atomer, når de strømmer gennem halvlederen.

Et team af forskere i Applied Electromagnetics Group ledet af elektroingeniørprofessor Dan Sievenpiper ved UC San Diego forsøgte at fjerne disse vejspærringer for ledningsevne ved at erstatte halvledere med frie elektroner i rummet. "Og vi ønskede at gøre dette i mikroskala, " sagde Ebrahim Forati, en tidligere postdoc-forsker i Sievenpipers laboratorium og førsteforfatter til undersøgelsen.

Imidlertid, at frigøre elektroner fra materialer er udfordrende. Det kræver enten at påføre høje spændinger (mindst 100 volt), højeffektlasere eller ekstremt høje temperaturer (mere end 1, 000 grader Fahrenheit), som ikke er praktiske i mikro- og nanoskala elektroniske enheder.

For at løse denne udfordring, Sievenpipers team fremstillede en enhed i mikroskala, der kan frigive elektroner fra et materiale uden sådanne ekstreme krav. Enheden består af en konstrueret overflade, kaldet en metasflade, oven på en siliciumwafer, med et lag siliciumdioxid imellem. Metasfladen består af en række guldsvampelignende nanostrukturer på en række parallelle guldstrimler.

Guldmetasfladen er designet sådan, at når en lav jævnspænding (under 10 volt) og en laveffekt infrarød laser begge anvendes, metaoverfladen genererer "hot spots" - pletter med et elektrisk felt med høj intensitet - der giver nok energi til at trække elektroner ud fra metallet og frigøre dem ud i rummet.

Test på enheden viste en 1, 000 procent ændring i ledningsevne. "Det betyder flere tilgængelige elektroner til manipulation, " sagde Ebrahim.

"Dette vil bestemt ikke erstatte alle halvlederenheder, men det kan være den bedste tilgang til visse specialapplikationer, såsom meget høje frekvenser eller enheder med høj effekt, " sagde Sievenpiper.

Ifølge forskere, denne særlige metasurface blev designet som et proof-of-concept. Forskellige metaoverflader skal designes og optimeres til forskellige typer mikroelektroniske enheder.

"Dernæst skal vi forstå, hvor langt disse enheder kan skaleres og grænserne for deres ydeevne, " sagde Sievenpiper. Holdet udforsker også andre applikationer til denne teknologi udover elektronik, såsom fotokemi, fotokatalyse, muliggør nye former for fotovoltaiske enheder eller miljøapplikationer.