De flesta elektroniska enheter innehåller för närvarande kiselbaserade chips. Andra halvledande material visar potential, men behöver ytterligare forskning för att bli kommersiellt gångbar. Forskare vid KAUST har noggrant analyserat ett sådant material - metallnitrid nanotrådar - vilket för dem ett steg närmare att vara användbart.
När metallnitrid-halvledare arrangeras i nanostora ledningar blir de extra känsliga för ljus, öppningsmöjligheter för optisk elektronik. En anmärkningsvärd utmaning är dock att även om metallnitrid nanotrådar fungerar bra vid låga temperaturer, termiska effekter kan i hög grad påverka deras prestanda vid rumstemperatur. För att lösa detta problem, Nasir Alfaraj med sin Ph.D. handledare Xiaohang Li och medarbetare på KAUST har tagit fram den mest detaljerade studien ännu av dessa termiska effekter.
Forskarna förberedde galliumnitrid (GaN) -baserade nanotrådar i en p-i-n-struktur-en smörgås med lager av så kallade p-typ- och n-typversioner av halvledaren som omger ett oförändrat lager. Halvledare av N-typ är dopade med material som ger extra elektroner, medan p-typer är dopade med material med färre elektroner, lämnar "hål" i kristallstrukturen. Både elektroner och hål fungerar som laddningsbärare, ge halvledaranordningar deras användbara elektroniska egenskaper.
"GaN-baserade p-i-n nanotrådar är lämpliga för tillverkning av signaldämpare, högfrekventa digitala omkopplare och högpresterande fotodetektorer, sade Alfaraj. Ändå, deras prestanda påverkas negativt när elektroner och hål rekombinerar, särskilt nära rumstemperatur."
Mer specifikt, när ett elektriskt fält verkar över en nanotråd, balansen mellan elektroner och hål kan påverkas, pumpa bort värme från enheten i form av termisk strålning. Enheterna fungerar effektivt som minikylskåp, och deras prestanda minskar när de svalnar.
För att kvantifiera denna effekt, Alfaraj och medarbetare riktade en titan-safirlaser på sina nanotrådar och mätte de fotoluminiscerande utsläppen som kom ut ur provet. De kunde sedan beräkna systemets "fotoinducerade entropi":en termodynamisk kvantitet som representerar att systemets energi inte är tillgänglig för omvandling till arbete på grund av luminescens -kylning.
Vid systemtemperaturer över 250 K, elektron-håls icke-strålningsrekombinationsprocesser blir dominerande – elektroner faller in i hål, orsakar en ökning av fotoinducerad entropi och minskar enhetens prestanda.
"Vi planerar att undersöka fotoinducerad entropi i andra material, såsom nanotrådar av aluminium-galliumnitrid och zinkoxid, "sa Alfaraj." Vi kommer också att jämföra olika nanotrådsdiametrar och undersöka andra strukturer, som tunna filmer."
Dessa studier kommer att hjälpa ingenjörer att tillverka nanotrådsenheter av metallnitrid som är termiskt stabila och lämpliga för dagligt bruk.
