新型超穎材料：帶來無需半導體的微電子設備

掃描式電子顯微照片 ：無需半導體的微電子設備（左上），黃金超穎表面（右上和下面）。

（圖片來源於：加州大學聖地亞哥分校應用電磁學小組）

引言

最近，加州大學聖地亞哥分校的工程師們製造了首個無需半導體、光學控制的微電子設備。他們使用了超穎材料構造了一種微型設備，通過低電壓和低功率激光器激活後，該設備的導電率會增加10倍。

這項發現推進了高速、高性能的微電子設備和更高效的太陽能板的研究。研究發表在11月4日的《自然通信》雜誌上。

現有微電子設備性能受限於半導體

研究人員稱，現有的微電子設備例如晶體管，其性能最終受限於組成材料（例如半導體）的特性。

例如，半導體能夠限制設備的導電性或者電子流。半導體具有「帶隙」，它們需要外部的能量讓電子流過它們。而且，電子速度有限，因為電子在流過半導體時，不斷地和原子碰撞。

如何消除半導體帶來的瓶頸？

一組來自應用電磁學小組的研究人員，在加州大學聖地亞哥分校的電氣工程教授 Dan Sievenpiper 帶領下，想消除導電性方面的障礙，他們通過空間中的自由電子取代半導體。Sievenpiper 實驗室的博士後研究員、研究的第一作者 Ebrahim Foratid 說：

「我們想在微觀級別這麼做。」

使電子變得自由有哪些挑戰？

然而，讓材料中的電子變得自由是非常具有挑戰性的工作。它需要高電壓（至少100伏特），或者需要高功率激光器，或者超高溫（超過1000華氏度），這些在微米和納米級別電子設備上都是不實際的。

設計的無需半導體的微電子設備（圖片來源於：加州大學聖地亞哥分校應用電磁學小組）

超穎表面的結構

為了應對這個挑戰，Sievenpiper 的團隊製造了一個微型設備，無需這些極端條件，就可以從材料中釋放電子。人工設計的表面（「超穎表面」），位於在矽片上中間有一層氧化硅，組成了該設備。超穎表面，由平行的黃金帶陣列上的一組菌菇般的黃金納米結構陣列組成。

超穎表面的工作原理

黃金超穎表面是這麼設計的：當直流低電壓（低於10伏）和低功率紅外激光器作用時，超穎表面會產生「熱點」，這些點具有高密度電場，產生足夠的能量將電子從金屬中激發出，釋放到空間中去。

研究的意義、應用、未來展望

設備上測試顯示導電性發生10倍的變化。Ebrahim 說

「這意味著更多的電子可被操作。」

Sievenpiper 說：

「當然，這不可能取代所有的半導體設備，但是它可能是特殊應用的最佳選擇，例如超高頻或者高功率設備。」

根據研究人員說法，這種特殊的超穎表面目前在概念驗證階段。為了滿足不同各類型的微電子設備的需要，研究人員將會設計不同類型的超穎表面。

Sievenpiper 說：

「下一步，我們需要理解這些設備可以擴展到什麼規模，以及它們的性能範圍。」

除了電子設備，團隊也在開發這項技術的其他應用，例如光化學、光催化作用、新型光伏設備或者環境應用。

參考資料

【1】http://jacobsschool.ucsd.edu/news/news_releases/release.sfe?id=2060

【2】Ebrahim Forati, Tyler J. Dill, Andrea R. Tao, Dan Sievenpiper.Photoemission-based microelectronic devices. Nature Communications, 2016; 7: 13399 DOI: 10.1038/ncomms13399

TAG:IntelligentThings |

※無需半導體的電子裝置：性能超越傳統產品
※新型超薄攝像頭：無需鏡頭也能拍照！
※無需電池！新型摺紙機器人可通過磁場無線控制
※無需電池！新型紗線可利用海浪和溫度波動發電
※種草控：無需整容也能一秒小V臉，立體妝容推薦
※剪出來的髮型，無需燙
※在塑料泡沫上插入塑料管，無需電力也能讓小船自行移動
※無需劇本只要即興，細數那些即興發揮的經典電影鏡頭
※紙尿褲的材料倒在土裡攪勻，種植植物無需人工澆水
※無需接電線的電路板，用鉛筆和白紙也能讓燈泡點亮
※電腦里拆下的散熱器連上燈泡，無需電源也能使其發亮
※手搖電筒焊接上變換器，無需移動電源也能為手機充電
※普通打火機拆開裝上電池，無需燃料也能點燃一切
※黑科技再現：無需電池的手機也能打電話
※無需外部刺激或催化的可再生自修復仿生材料的設計
※酷研究：無需外力，能自己移動的液體
※無需電池的醫療植入物使用生物體液進行充電
※天體物理學家提出無需暗能量的宇宙新模型
※無需斷線的立體花鉤法，織物搭配都用得到，趕緊來學！（附視頻教程）