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:加州大學聖地牙哥分校應用電磁學小組)
引言
最近,加州大學聖地牙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雷射器激活後,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電晶體,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,在加州大學聖地牙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),或者需要高功率雷射器,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。
無需半導體的微電子設備
(圖片來源於:加州大學聖地牙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矽,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)和低功率紅外雷射器作用時,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