Используя специально разработанные метаматериалы, исследователи из Калифорнийского университета Сан-Диего создали первое в мире микроэлектронное устройство, которое не использует полупроводников, вместо них в устройстве используется маломощный оптический лазер, который повышает проводимость на 1000 процентов.
Транзисторы и другие распространенные полупроводниковые приборы имеют верхний предел их электропроводности из-за ограничений, присущих материалам из которых они изготовлены. Так происходит потому, что необходима дополнительная энергия для того, чтобы поддерживать электронный поток. Кроме того, скорость электронов ограничена в полупроводниках, поскольку они сталкиваются с атомами при их прохождении через материалы. Эти ограничения проводимости исследователи решили устранить путем обмена полупроводников и метаматериала, что позволило электронам свободно течь через открытое пространство.
Обычно, движение электронов из материалов в свободном пространстве не так уж легко дается и требует применения не менее 100 вольт для возбуждения мощных лазеров, или накаливания до температуры свыше 538 градусов по Цельсию, оба способа являются довольно непрактичными в миниатюрных электронных устройствах.
Для преодоления таких экстремальных требований, команда использовала специализированные поверхности, известные как метаповерхности, которые могут отдавать электроны через локализованный плазмон, по сути, осуществляется генерация электрических полей вблизи поверхности материала, что обеспечивает низкие потери проводимости по пути.
Созданные из массива золота в форме гриба наноструктуры, закрепленные на матрице полоски золота и построенные на верхней части кремниевой пластины со слоем диоксида кремния, отделяющей два уровня, создает «горячие точки» высокой напряженности электрического поля при постоянном токе низкого напряжения до 10 вольт и малой мощности инфракрасного лазера, которые применяются одновременно.
Напряжение и лазерное возбуждение, в свою очередь, производят достаточно энергии для свободных электронов из метаматериала, которая затем может свободно перемещаться в пространстве. Так, тесты показали, что более чем на 1000 процентов вырос показатель проводимости.
«Это означает повышение количества более доступных электронов для манипуляций», — сказал Ибрагим Форати, бывший научный исследователь проекта Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Метаповерхности рассматриваются во многих более-менее миниатюрных устройствах, например, в сверхтонких линзах.
«Это, конечно, не заменит все полупроводниковые приборы, но он может быть лучшим подходом для некоторых специализированных приложений, например, с очень высокой частотой и высокой мощностью устройств», — сказал профессор Дэн Сьевенпайпер, руководитель исследовательской группы по прикладной электродинамики из Калифорнийского университета.
Этот конкретный metasurface был создан как доказательство концепции, а не общий компонент, поэтому команда считает, что различные метаповерхности должны быть адаптированы для других устройств и возможности использования в таких областях, как фотохимии и фотокатализа, а также в новых типах фотоэлектрических устройств.
