Jämförelse av bandstrukturen för bulk GaAs och Si och NDR-inducerad oscillation i en Gunn-diod. Bandstrukturer av (a) Gallium Arsenid med direkt bandgap. Direkta och indirekta subband kallas Γ och L valley, respektive. Energiförskjutningen är 300 meV. (b) Negativ differensmotstånd (NDR) för GaA som ett resultat av hastighetsminskning för elektroner som migrerade till band med hög effektiv massa (L). NDR härrörde från ett stort förhållande mellan effektiv massa av indirekt till direkt ledande subband som är cirka 100 för GaA. (c) Elnätet visar hur kompensation av förlusten av en elektrisk LC -resonator med hjälp av en Gunn -diod med NDR resulterar i en evig svängning i mikrovågsfrekvenser. (d) Bandstruktur av bulkkisel med mer än 1 eV -förskjutning mellan Γ och Χ dalar vilket förklarar varför det inte finns någon NDR i bulkkisel. (e) Den andra typen av Gunn-oscillation (inneboende) är ett resultat av självupprepande bildning av ackumulation/utarmningssandwich inuti bulkmaterialet som rör sig med mättad drivhastighet från katod till anod. Kreditera: Vetenskapliga rapporter (2018). DOI:10.1038/s41598-018-24387-y
Forskare som använder kraftfulla superdatorer har hittat ett sätt att generera mikrovågor med billigt kisel, ett genombrott som dramatiskt kan sänka kostnaderna och förbättra enheter som sensorer i självkörande fordon.
"Tills nu, detta ansågs omöjligt, "sade C.R. Selvakumar, en ingenjörsprofessor vid University of Waterloo som föreslog konceptet för flera år sedan.
Högfrekventa mikrovågor bär signaler i ett brett spektrum av enheter, inklusive radarenheterna som polisen använder för att fånga fortkörare och system för att undvika kollisioner i bilar.
Mikrovågorna genereras vanligtvis av enheter som kallas Gunn -dioder, som drar nytta av de unika egenskaperna hos dyra och giftiga halvledarmaterial, såsom galliumarsenid.
När spänning appliceras på galliumarsenid och sedan ökas, den elektriska strömmen som går genom den ökar också - men bara till en viss punkt. Utöver den punkten, strömmen minskar, en udda känd som Gunn -effekten som resulterar i utsläpp av mikrovågor.
Ledande forskare Daryoush Shiri, en tidigare Waterloo -doktorand som nu arbetar vid Chalmers tekniska universitet i Sverige, använde beräknad nanoteknik för att visa att samma effekt kan uppnås med kisel.
Det näst mest förekommande ämnet på jorden, kisel skulle vara mycket lättare att arbeta med för tillverkning och kostar ungefär en tjugondel så mycket som galliumarsenid.
Den nya tekniken innebär kisel nanotrådar så små att det skulle ta 100, 000 av dem buntade ihop för att vara lika tjocka som ett människohår.
Komplexa datormodeller visade att om kisel -nanotrådar sträcktes när spänning applicerades på dem, Gunn -effekten, och därför utsläpp av mikrovågor, kunde framkallas.
"Med tillkomsten av nya nanotillverkningsmetoder, det är nu enkelt att forma bulk kisel till nanotrådsformer och använda det för detta ändamål, sa Shiri.
Selvakumar sa att det teoretiska arbetet är det första steget i en utvecklingsprocess som kan leda till mycket billigare, mer flexibla enheter för generering av mikrovågor.
Sträckmekanismen kan också fungera som en omkopplare för att slå på och av effekten, eller variera frekvensen av mikrovågor för en mängd nya applikationer som inte ens har tänkts ännu.
"Detta är bara början, "sade Selvakumar, professor i el- och datateknik. "Nu får vi se vart det tar vägen, hur det kommer att förgrena sig. "
Shiri samarbetade också med forskarna Amit Verma, Reza Nekovei, Andreas Isacsson och M.P. Anantram vid universitet i USA och Sverige.
Deras arbete publicerades nyligen i tidningen Vetenskapliga rapporter .
