Ερευνητές στο ΜΙΤ παρατήρησαν ρεκόρ κινητικότητας ηλεκτρονίων - επτά φορές υψηλότερη από ό,τι στους συμβατικούς ημιαγωγούς - σε ένα υλικό κατασκευασμένο με μία τεχνική που επιτρέπει την ανάπτυξη του υλικού σε επίπεδο ατόμου.
Πιο συγκεκριμένα, οι επιστήμονες ανέπτυξαν έναν νέο τύπο ημιαγωγού σε μορφή κρυσταλλικής μεμβράνης με πάχος ξυραφιού, η οποία επιτρέπει στα ηλεκτρόνια να κινούνται επτά φορές πιο γρήγορα από ό,τι στους παραδοσιακούς ημιαγωγούς και θα μπορούσε να έχει τεράστιες επιπτώσεις για τις ηλεκτρονικές συσκευές.
Σε μελέτη που δημοσιεύθηκε την 1η Ιουλίου στην επιστημονική έκδοση Materials Today Physics, οι ερευνητές αναφέρουν τη δημιουργία ενός εξαιρετικά λεπτού φιλμ από ένα κρυσταλλικό υλικό που ονομάζεται ternary tetradymite.
Το φιλμ - με πάχος μόλις 100 νανόμετρα, ή περίπου το ένα χιλιοστό του πάχους μιας ανθρώπινης τρίχας - κατασκευάστηκε μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται molecular-beam epitaxy, η οποία επιτυγχάνει τον ακριβή έλεγχο μιας δέσμης μορίων για την κατασκευή ενός υλικού άτομο προς άτομο. Αυτή η διαδικασία επιτρέπει την κατασκευή υλικών με ελάχιστα ελαττώματα στη δομή τους, επιτρέποντας έτσι μεγαλύτερη κινητικότητα ηλεκτρονίων, ένα μέτρο του πόσο εύκολα κινούνται τα ηλεκτρόνια μέσα από ένα υλικό υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου.
Όταν οι επιστήμονες εφάρμοσαν ηλεκτρικό ρεύμα στο φιλμ, κατέγραψαν ηλεκτρόνια που κινούνταν με ταχύτητες - ρεκόρ των 10.000 cm2/V-s. Συγκριτικά, τα ηλεκτρόνια κινούνται συνήθως με ταχύτητα περίπου 1.400 cm2/V-s σε τυπικούς ημιαγωγούς πυριτίου και πολύ πιο αργά στην παραδοσιακή χάλκινη καλωδίωση. Αυτή η υψηλή κινητικότητα των ηλεκτρονίων μεταφράζεται σε καλύτερη αγωγιμότητα, η οποία με τη σειρά της, ανοίγει το δρόμο για πιο αποτελεσματικές και ισχυρές ηλεκτρονικές συσκευές που εκπέμπουν λιγότερη θερμότητα και σπαταλούν λιγότερη ενέργεια.
Οι ερευνητές παρομοίασαν τις ιδιότητες της μεμβράνης με «έναν αυτοκινητόδρομο χωρίς κίνηση», λέγοντας ότι τέτοια υλικά «θα είναι απαραίτητα για πιο αποτελεσματικές και βιώσιμες ηλεκτρονικές συσκευές που μπορούν να κάνουν περισσότερα με λιγότερη ισχύ». Οι πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν φορητές θερμοηλεκτρικές συσκευές που μετατρέπουν την απορριπτόμενη θερμότητα σε ηλεκτρική ενέργεια και συσκευές «spintronic», οι οποίες χρησιμοποιούν το spin των ηλεκτρονίων αντί του φορτίου τους για την επεξεργασία πληροφοριών.
«Παλιότερα, αυτό που είχε επιτευχθεί όσον αφορά την κινητικότητα των ηλεκτρονίων σε αυτά τα συστήματα, ήταν σαν την κυκλοφορία σε έναν δρόμο υπό κατασκευή. Υπάρχουν καθυστερήσεις, δεν μπορείς να οδηγήσεις, έχει σκόνη και είναι χάος», εξηγεί ο Jagadeesh Moodera, φυσικός στο MIT. «Σε αυτό το βελτιστοποιημένο υλικό, είναι σαν να οδηγείτε σε έναν σύγχρονο αυτοκινητόδρομο μόνοι σας».
Οι επιστήμονες μέτρησαν την κινητικότητα των ηλεκτρονίων στο υλικό τοποθετώντας το κρυσταλλικό φιλμ σε ένα εξαιρετικά κρύο περιβάλλον υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου. Στη συνέχεια, πέρασαν ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από το υλικό και μέτρησαν τις κβαντικές ταλαντώσεις που εμφανίζονται όταν η ηλεκτρική αντίσταση υπόκειται σε διακυμάνσεις ως απόκριση σε ένα μαγνητικό πεδίο.
Ακόμη και μικροσκοπικά ελαττώματα στο υλικό μπορούν να επηρεάσουν την κινητικότητα των ηλεκτρονίων, εμποδίζοντας την κίνηση τους. Ως εκ τούτου, οι επιστήμονες ελπίζουν ότι η βελτιστοποίηση της διαδικασίας δημιουργίας της μεμβράνης θα οδηγήσει σε ακόμα καλύτερα αποτελέσματα.
«Αυτό δείχνει ότι είναι δυνατό να κάνουμε τεράστια βήματα προόδου, όταν ελέγχουμε σωστά αυτά τα πολύπλοκα συστήματα», είπε ο Moodera. «Βρισκόμαστε σίγουρα στη σωστή κατεύθυνση και έχουμε το σωστό σύστημα για να προχωρήσουμε περαιτέρω, να συνεχίσουμε να τελειοποιούμε αυτό το υλικό και να κατασκευάσουμε ακόμη λεπτότερες μεμβράνες για χρήση σε μελλοντικές spintronic και φορητές θερμοηλεκτρικές συσκευές».
Με πληροφορίες από livescience.com
