В основе всех используемых в современной электронике приборов лежат компоненты, изготовленные из полупроводниковых материалов различных типов. Но возможности данных технологий начинают приближаться к физическим пределам и ограничениям, что, в свою очередь, может нарушить известный закон Гордона Мура, который говорит о том, что количество транзисторов и вычислительная мощность микропроцессоров должны удваиваться каждые два года. В поисках альтернативы полупроводниковым технологиям исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали то, что является первым в мире микроэлектронным устройством, не содержащим полупроводниковых материалов. И дальнейшее развитие данной технологии может привести к разработке быстродействующей микроэлектроники нового типа, высокоэффективных солнечных батарей и многого другого.
В своей работе исследователи заменили электроны, движущиеся в объеме полупроводниковых материалов свободными электронами, движущимися в пространстве. Эта технология во многом подобна первым электронным радиолампам за исключением того, что она реализована на наноразмерном уровне. Однако, высвобождение электронов из материала является достаточно тяжелым делом, оно требует применения высокого электрического потенциала, высокой температуры или света высокоэнергетических лазеров. И ни один из перечисленных методов не подходит для практического использования в микроэлектроники в силу различных причин.
Исследователи разработали устройство, способное испускать свободные электроны без необходимости применения каких-либо экстремальных воздействий. Основу этого устройства составляет золотая метаповерхность с наноструктурированной формой, которая состоит из чередующихся золотых полос и структур, имеющих форму гриба с ножкой и шляпкой. Все это находится на поверхности кремниевой подложки, покрытой изолирующим слоем из диоксида кремния.
Когда на элементы этой поверхности подается низкое, порядка 10 Вольт, электрическое напряжение, и на ней фокусируется свет низкоэнергетического инфракрасного лазера, на ней возникают так называемые «горячие точки», области с высокой напряженностью электрического поля. Энергии этого поля достаточно для того, чтобы извлечь электроны из материала и отправить их в свободный полет в окружающее пространство. Следует отметить, что за счет некоторых явления такая поверхность сама по себе создает облако свободных электронов, но при активизации вышеописанным способом плотность этого поля и электронная проводимость устройства возрастают минимум в тысячу раз.
«Это устройство, без сомнений, не сможет заменить полупроводниковые приборы всех имеющихся на сегодняшний день типов. Но на его основе уже сегодня можно будет создать альтернативу полупроводникам, использующимся в силовой электронике или в высокочастотной технике» — рассказывает Дэн Сивенпипер (Dan Sievenpiper), профессор электротехники из Калифорнийского университета, — «Теперь нам предстоит выяснить, насколько мы сможем улучшить параметры таких устройств и насколько велики могут быть значения их некоторых характеристик».
Созданное калифорнийскими исследователями микроэлектронное устройство, структура которого показана на приведенном выше снимке, является лишь доказательством работоспособности всех использованных учеными принципов и решений. И, вполне вероятно, что создавая метаповерхности различных типов и структуры, у ученых в будущем получится создать аналоги всех видов современных полупроводниковых устройств или приборов.
Источник:
