Forskere rapporterer at skifte materiale mellem halvleder- og metalliske tilstande

En gruppe forskere fra Fritz Haber Institute of the Max Planck Society og Humboldt-Universität zu Berlin har fundet ud af, at en halvleder kan omdannes til et metal og tilbage af lys nemmere og hurtigere end tidligere antaget. Denne opdagelse kan øge behandlingshastigheden og forenkle designet af mange almindelige teknologiske enheder.

Meget af den teknologi, der bruges i dag, er afhængig af transistorer. De forbinder mange af de materialer, der udgør disse enheder, og er afgørende for enhver form for databehandling. Fordi transistorer er så vigtige, videnskabsmænd og ingeniører har længe forsøgt at optimere dem ved at ændre deres materialeegenskaber, så de kan bruges mere fleksibelt. Nu, et team af forskere, Fritz Haber Institute of the Max Planck Society og Humboldt-Universität zu Berlin, har fundet et vigtigt fingerpeg om, hvordan man opnår det.

Transistorer består ofte af halvledere, materialer, der leder elektricitet, men ikke helt så godt som metaller. I almindelige transistorer, flere halvledere er kombineret for at styre en elektrisk strøm. Desværre, dette begrænser ydeevnen og størrelsen af ​​den enhed, de er indbygget i. "I bund og grund, det ville være ideelt kun at have ét materiale, der kan det hele, når du har brug for det, " siger Julia Stähler, Professor ved Humboldt Universität zu Berlin, der ledede undersøgelsen på Fritz Haber Institute.

Selvom ledningsevnen af ​​halvledere kan ændres ved en kemisk proces kaldet "doping, "denne teknik, hvor atomer i halvlederen er erstattet med andre atomer, har begrænsninger. Et materiales egenskaber kan ændres, men vil forblive det permanent. Forskere søger et materiale, der kan skifte mellem forskellige egenskaber. Julia Stählers gruppe har fundet et svar på dette spørgsmål:lys.

Forskerne involveret i denne undersøgelse har undersøgt den populære halvleder zinkoxid og fundet ud af, at ved at belyse den med en laser, halvlederoverfladen kan forvandles til et metal - og tilbage igen. Denne "foto-doping" opnås ved fotoexcitation:Lyset ændrer de elektroniske egenskaber, således at elektroner pludselig bevæger sig frit og en elektrisk strøm kan flyde, som i metal. Når lyset er slukket igen, materialet går også hurtigt tilbage til at være en halvleder.

"Denne mekanisme er en helt ny og overraskende opdagelse, siger Lukas Gierster, hovedforfatter og ph.d. elev i Stählers gruppe. "Særlig tre ting har overrasket os:For det første, foto- og kemisk doping opfører sig så meget ens på trods af at det er fundamentalt forskellige mekanismer; to, gigantiske ændringer kan nås med meget lav lasereffekt; og tre, at tænde og slukke for metallet sker hurtigt."

Omdannelsen til et metal tager kun 20 femtosekunder, dvs. 20 milliontedel af en milliardtedel af et sekund. Hastigheden af ​​gendannelsen af ​​halvlederen var især forbløffende, da den var størrelsesordener hurtigere end i tidligere undersøgelser. Med andre ord, lys er en ultrahurtig kontakt, der har kraften til at ændre zinkoxidens halvledende egenskaber til en metallisk adfærd reversibelt.

Denne opdagelse kan være yderst gavnlig for højfrekvente enhedsapplikationer og ultrahurtige optisk styrede transistorer ved at øge behandlingshastigheden og forenkle enhedsdesign. "Vores gadgets kunne blive hurtigere - og dermed smartere, " siger Julia Stähler og tilføjer:"Laveffekt, ultrahurtig skift af ledningsegenskaber vil give os høj hastighed og designfleksibilitet." Hun og hendes gruppe er overbevist om, at det samme vil vise sig at være sandt for andre halvledende materialer, så deres opdagelse sandsynligvis vil nå meget længere end blot zinkoxid.