Ingenjörer vid University of California San Diego har tillverkat det första halvledarfria, optiskt styrd mikroelektronisk enhet. Med hjälp av metamaterial, ingenjörer kunde bygga en mikroskala som visar en 1, 000 procents ökning av konduktiviteten när den aktiveras av lågspänning och lågeffektslaser.

Upptäckten banar väg för mikroelektroniska enheter som är snabbare och kan hantera mer ström, och kan också leda till effektivare solpaneler. Verket publicerades 4 november Naturkommunikation .

Kapaciteten hos befintliga mikroelektroniska enheter, såsom transistorer, begränsas slutligen av egenskaperna hos deras ingående material, som deras halvledare, sa forskare.

Till exempel, halvledare kan sätta gränser för en enhets konduktivitet, eller elektronflöde. Halvledare har det som kallas bandgap, vilket betyder att de kräver ett uppsving av extern energi för att få elektroner att flöda genom dem. Och elektronhastigheten är begränsad, eftersom elektroner ständigt kolliderar med atomer när de flyter genom halvledaren.

Ett team av forskare i gruppen Applied Electromagnetics under ledning av professor i elektroteknik Dan Sievenpiper vid UC San Diego försökte ta bort dessa vägspärrar till konduktivitet genom att ersätta halvledare med lediga elektroner i rymden. "Och vi ville göra det här i mikroskala, "sa Ebrahim Forati, en tidigare postdoktor i Sievenpiper's lab och första författare till studien.

Dock, att frigöra elektroner från material är utmanande. Det kräver antingen högspänning (minst 100 volt), lasrar med hög effekt eller extremt höga temperaturer (mer än 1, 000 grader Fahrenheit), som inte är praktiska i mikro- och nanoskala elektroniska enheter.

För att hantera denna utmaning, Sievenpipers team tillverkade en mikroskalanordning som kan frigöra elektroner från ett material utan sådana extrema krav. Enheten består av en konstruerad yta, kallas en metasurface, ovanpå en kiselskiva, med ett lager kiseldioxid emellan. Metasytan består av en rad guldsvampliknande nanostrukturer på en rad parallella guldremsor.

Guldmetasytan är utformad så att när en låg likspänning (under 10 volt) och en låg effekt infraröd laser appliceras, metasytan genererar "hot spots" - fläckar med ett högintensivt elektriskt fält - som ger tillräckligt med energi för att dra ut elektroner från metallen och frigöra dem till rymden.

Tester på enheten visade en 1, 000 procent förändring i konduktivitet. "Det betyder fler tillgängliga elektroner för manipulation, "Sa Ebrahim.

"Detta kommer säkert inte att ersätta alla halvledarenheter, men det kan vara det bästa tillvägagångssättet för vissa specialtillämpningar, till exempel mycket höga frekvenser eller enheter med hög effekt, "Sa Sievenpiper.

Enligt forskare, just den här metasytan var utformad som ett proof-of-concept. Olika metasytor måste utformas och optimeras för olika typer av mikroelektroniska enheter.

"Därefter måste vi förstå hur långt dessa enheter kan skalas och gränserna för deras prestanda, "Sa Sievenpiper. Teamet utforskar också andra applikationer för denna teknik förutom elektronik, som fotokemi, fotokatalys, möjliggör nya typer av solcellsanordningar eller miljöapplikationer.