Indsigt i den termiske opførsel af metalnitrid nanotråde kan åbne nye veje inden for optisk elektronik

De fleste elektroniske enheder indeholder i øjeblikket siliciumbaserede chips. Andre halvledende materialer viser potentiale, men har brug for yderligere forskning for at blive kommercielt levedygtig. Forskere ved KAUST har grundigt analyseret et sådant materiale - metal-nitrid nanotråde - og bragt dem et skridt tættere på at være nyttige.

Når metal-nitrid-halvledere er arrangeret i ledninger i nanostørrelse, bliver de ekstra følsomme over for lys, åbningsmuligheder for optisk elektronik. En bemærkelsesværdig udfordring er dog, at selvom metal-nitrid nanotråde fungerer godt ved lave temperaturer, termiske effekter kan i høj grad påvirke deres ydeevne ved stuetemperatur. For at løse dette problem, Nasir Alfaraj med sin ph.d. supervisor Xiaohang Li og kolleger hos KAUST har lavet den mest detaljerede undersøgelse til dato af disse termiske effekter.

Forskerne forberedte gallium-nitrid (GaN)-baserede nanotråde i en p-i-n-struktur - en sandwich med lag af såkaldte p-type og n-type versioner af halvlederen, der omgiver et uændret lag. N-type halvledere er doteret med materialer, der giver ekstra elektroner, mens p-typer er dopet med materialer med færre elektroner, efterlader "huller" i krystalstrukturen. Både elektroner og huller fungerer som ladningsbærere, giver halvlederenheder deres nyttige elektroniske egenskaber.

"GaN-baserede p-i-n nanotråde er velegnede til fremstilling af signaldæmpere, højfrekvente digitale switche og højtydende fotodetektorer, sagde Alfaraj. deres ydeevne påvirkes negativt, når elektroner og huller rekombinerer, især tæt på stuetemperatur."

Mere specifikt, når et elektrisk felt virker på tværs af en nanotråd, balancen mellem elektroner og huller kan blive påvirket, pumpe varme væk fra enheden i form af termisk stråling. Apparaterne fungerer effektivt som minikøleskabe, og deres ydeevne falder, efterhånden som de afkøles.

For at kvantificere denne effekt, Alfaraj og kolleger rettede en titanium-safirlaser på deres nanotråde og målte de fotoluminescerende emissioner, der kom ud af prøven. De var derefter i stand til at beregne den "fotoinducerede entropi" af systemet:en termodynamisk størrelse, der repræsenterer utilgængeligheden af ​​et systems energi til omdannelse til arbejde på grund af luminescens-køling.

Ved systemtemperaturer over 250 K, de elektron-huls ikke-strålende rekombinationsprocesser bliver dominerende – elektroner falder ned i huller, forårsager en stigning i fotoinduceret entropi og reducerer enhedens ydeevne.

"Vi planlægger at undersøge fotoinduceret entropi i andre materialer, såsom aluminium-gallium-nitrid og zink-oxid nanotråde, " sagde Alfaraj. "Vi vil også sammenligne forskellige nanotrådsdiametre og undersøge andre strukturer, såsom tynde film."

Disse undersøgelser vil hjælpe ingeniører med at fremstille metal-nitrid nanotrådenheder, der er termisk stabile og egnede til daglig brug.