Visualisering af elektronflow motiverer nye enheder i nanoskala inspireret af flyvinger
En undersøgelse, der viser, hvordan elektroner flyder rundt i skarpe bøjninger, såsom dem, der findes i integrerede kredsløb, har potentialet til at forbedre, hvordan disse kredsløb, der almindeligvis bruges i elektroniske og optoelektroniske enheder, er designet.
Det har været kendt teoretisk i omkring 80 år, at når elektroner rejser rundt i sving, har de en tendens til at varme op, fordi deres strømningslinjer bliver klemt lokalt. Indtil nu havde ingen dog målt varmen, hvortil der først er brug for billeddannelse af flowlinjerne.
Forskerholdet, ledet af Nathaniel M. Gabor ved University of California, Riverside, afbildede strømlinjer af elektrisk strøm ved at designe en "elektrofolie", en ny type enhed, der muliggør forvridning, kompression og udvidelse af strømlinjer af elektriske strømme på samme måde forvrænger, komprimerer og udvider flyvemaskinens luftstrøm.
"Elektrisk ladning bevæger sig på samme måde som, hvordan luft flyder over overfladen af en flyvinge," sagde Gabor, professor i fysik og astronomi. "Selvom det er let at afbilde luftstrømmen ved at bruge f.eks. røg- eller dampstrømme i en vindtunnel, som det ofte ses i bilreklamer, er det langt vanskeligere at afbilde strømlinjerne i elektriske strømme."
Gabor sagde, at holdet kombinerede laserbilleddannelse med nye lysfølsomme enheder for at komme med de første billeder af fotostrøm strømlines gennem en fungerende enhed. En fotostrøm er en elektrisk strøm induceret af lysets virkning.
"Hvis du ved, hvordan elektronerne flyder, kan du vide, hvordan du forhindrer dem i at forårsage skadelige virkninger, såsom opvarmning af kredsløbet," sagde Gabor. "Med vores teknik kan du nu vurdere præcis, hvor og hvordan elektronerne flyder, hvilket giver os et kraftfuldt værktøj til at visualisere, karakterisere og måle ladningsflow i optoelektroniske enheder."
Forskningspapiret har titlen "Mapping the intrinsic photocurrent streamlines through micromagnetic heterostructure devices" og vises i Proceedings of the National Academy of Sciences .
Gabor forklarede, at når elektroner får kinetisk energi, opvarmes de. I sidste ende opvarmer de materialet omkring dem, såsom ledninger, der kan risikere at smelte.
"Hvis du får en varmestigning i din computer, begynder dine kredsløb at dø," sagde han. "Det er derfor, når vores computere overophedes, de slukker. Det er for at beskytte kredsløb, der kan blive beskadiget på grund af al den varme, der spredes i metallerne."
Gabors team designede elektrofolierne i laboratoriet som små vingeformer i nanoskalaenheder, der får elektronerne til at flyde rundt om dem, svarende til hvordan luftmolekyler flyder rundt om en flyvinge.
"Vi ønskede en form, der kunne give os forskellige drejningshastigheder, noget med en kontinuerlig krumning," sagde Gabor.
"Vi hentede inspiration fra flyvinger, som har en gradvis kurve. Vi tvang strømmen til at løbe rundt om elektrofolien, som tilbyder forskellige flyvevinkler. Jo skarpere vinklen er, jo mere kompression af strømningslinjerne. I flere og flere materialer. , er vi begyndt at opdage, at elektroner opfører sig som væsker. Så i stedet for at designe enheder baseret på f.eks. elektrisk modstand, kan vi bruge en tilgang med VVS i tankerne og designe rørledninger, så elektroner kan strømme igennem."
I deres eksperimenter brugte Gabor og hans kolleger en mikroskopimetode, der anvender et ensartet roterende magnetfelt til at afbilde fotostrømstrømlinjer gennem ultratynde enheder lavet af et lag platin på yttriumjerngranat eller YIG. YIG er en isolator, men giver mulighed for en magnetisk felteffekt, når et tyndt lag platin limes på den.
"Den magnetiske felteffekt viser sig kun ved grænsefladen mellem denne granatkrystal og platin," sagde Gabor. "Hvis du kan styre magnetfeltet, styrer du strømmen."
For at generere en fotostrøm i en ønsket retning rettede forskerne en laserstråle på YIG, hvor laseren tjente som en lokal varmekilde. En effekt kendt som "photo-Nernst-effekten" genererer fotostrømmen, hvis retning styres af det eksterne magnetfelt.
"Direkte billeddannelse for at spore fotostrømstrømlines i kvanteoptoelektroniske enheder er fortsat en nøgleudfordring i forståelsen af eksotisk enhedsadfærd," sagde Gabor. "Vores eksperimenter viser, at fotostrømstrømlinemikroskopi er et robust nyt eksperimentelt værktøj til at visualisere en fotostrøm i kvantematerialer. Dette værktøj hjælper os med at se på, hvordan elektroner opfører sig dårligt."
Gabor forklarede, at det er velkendt, at elektroner opfører sig på "underlige måder" under specifikke forhold, især i meget små enheder.
"Vores teknik kan nu bruges til bedre at studere dem," sagde han. "Hvis jeg prøvede at designe et integreret kredsløb og ville vide, hvor varme kunne stamme fra det, ville jeg gerne vide, hvor de nuværende strømningslinjer bliver presset. Vores teknik kan hjælpe med at designe kredsløb og vurdere, hvad du skal undgå, og foreslår, at du bør ikke have skarpe bøjninger i dine ledninger, men det er ikke den nyeste teknik lige nu
Flere oplysninger: David Mayes et al., Kortlægning af den iboende fotostrøm strømlines gennem mikromagnetiske heterostrukturenheder, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI:10.1073/pnas.2221815120
Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences
Leveret af University of California - Riverside
Varme artikler
-
DNA-net fanger COVID-19-virus i en billig hurtigtestplatformSmå net vævet af DNA-strenge dækker spidsproteinerne fra den virus, der forårsager COVID-19, og afgiver et lysende signal i denne kunstners gengivelse. Kredit:Xing Wang, University of Illinois Små -
Fluorescensmikroskopi ved højeste rumlige og tidsmæssige opløsningKredit:ACS LMU-forskere forenkler MINFLUX-mikroskopet og er lykkedes med at differentiere molekyler, der er ekstremt tæt på hinanden, og spore deres dynamik. For kun få år siden, en tilsyneladend -
Mikrobots kan rense forurenet vandIllustration af en selvkørende grafenoxid-baseret mikrobot til fjernelse af bly fra spildevand. Kredit:Vilela, et al. ©2016 American Chemical Society (Phys.org) – En ny undersøgelse viser, at en s -
Røntgenmikroskopi ved BESSY II:Nanopartikler kan ændre celler3D -arkitektur af cellen med forskellige organeller:mitokondrier (grøn), lysosomer (lilla), multivesikulære legemer (røde), endoplasmatisk retikulum (creme). Kredit:Burcu Kepsutlu/HZB Nanopartikle
- Geologer kaster nyt lys over, hvordan kontinenter kan være blevet dannet
- Stjerneskud på efterspørgsel:Japan start-up planlægger 2020 meteorregn
- Kinesisk mobiltelefontårnoperatør planlægger en børsnotering på 8,7 milliarder dollar
- Dyrereproduktion og -udvikling
- Ny solid-state termisk diode udviklet med bedre ensretterydelse
- Diamanter kaster lys over skjulte strømme i grafen