Onderzoekers rapporteren schakelmateriaal tussen halfgeleider- en metaaltoestanden

Een groep onderzoekers van het Fritz Haber Instituut van de Max Planck Society en de Humboldt-Universität zu Berlin hebben ontdekt dat een halfgeleider gemakkelijker en sneller kan worden omgezet in een metaal en terug door licht dan eerder werd gedacht. Deze ontdekking kan de verwerkingssnelheid verhogen en het ontwerp van veel gangbare technologische apparaten vereenvoudigen.

Veel van de technologie die tegenwoordig wordt gebruikt, is gebaseerd op transistors. Ze verbinden veel van de materialen waaruit deze apparaten bestaan ​​en zijn essentieel voor elke vorm van gegevensverwerking. Omdat transistors zo belangrijk zijn, hebben wetenschappers en ingenieurs lang geprobeerd ze te optimaliseren door hun materiaaleigenschappen aan te passen, zodat ze flexibeler kunnen worden gebruikt. Nu heeft een team van onderzoekers, het Fritz Haber Instituut van de Max Planck Society en de Humboldt-Universität zu Berlin, een belangrijke aanwijzing gevonden om dat te bereiken.

Transistors bestaan ​​vaak uit halfgeleiders, materialen die elektriciteit geleiden, maar niet zo goed als metalen. In gewone transistors worden verschillende halfgeleiders gecombineerd om een ​​elektrische stroom te regelen. Helaas beperkt dit de prestaties en de grootte van het apparaat waarin ze zijn ingebouwd. “In wezen zou het ideaal zijn om slechts één materiaal te hebben dat alles kan, wanneer je het nodig hebt”, zegt Julia Stähler, professor aan de Humboldt Universität zu Berlin, die de studie leidde aan het Fritz Haber Instituut.

Hoewel de geleidbaarheid van halfgeleiders kan worden veranderd door een chemisch proces dat “doping” wordt genoemd, heeft deze techniek, waarbij atomen van de halfgeleider worden vervangen door andere atomen, beperkingen. De eigenschappen van een materiaal kunnen worden gewijzigd, maar blijven dat permanent. Onderzoekers zoeken een materiaal dat kan schakelen tussen verschillende eigenschappen. De groep van Julia Stähler heeft een antwoord op deze vraag gevonden: licht.

De wetenschappers die bij deze studie betrokken waren, hebben het populaire halfgeleider-zinkoxide onderzocht en kwamen erachter dat door het te verlichten met een laser, het halfgeleideroppervlak in een metaal kan worden veranderd – en weer terug. Deze “fotodoping” wordt bereikt door foto-excitatie: het licht verandert de elektronische eigenschappen zodanig dat elektronen plotseling vrij bewegen en er een elektrische stroom kan vloeien, zoals bij metaal. Zodra het licht weer wordt uitgeschakeld, wordt het materiaal ook snel weer een halfgeleider.

“Dit mechanisme is een geheel nieuwe en verrassende ontdekking”, zegt Lukas Gierster, hoofdauteur en Ph.D. student in de groep van Stähler. Drie dingen in het bijzonder hebben ons verrast: Ten eerste gedragen foto- en chemische doping zich zo veel op elkaar ondanks dat ze fundamenteel verschillende mechanismen zijn; twee, gigantische veranderingen kunnen worden bereikt met een zeer laag laservermogen; en ten derde, het in- en uitschakelen van het metaal gebeurt snel.”

De conversie naar een metaal duurt slechts 20 femtoseconden, oftewel 20 miljoenste van een miljardste van een seconde. De snelheid waarmee de halfgeleider opnieuw werd gevormd, was vooral verbazingwekkend omdat deze ordes van grootte sneller was dan in eerdere studies. Met andere woorden, licht is een ultrasnelle schakelaar die de kracht heeft om de halfgeleidende eigenschappen van zinkoxide omkeerbaar te veranderen in een metaalachtig gedrag.

Deze ontdekking zou zeer gunstig kunnen zijn voor hoogfrequente apparaattoepassingen en ultrasnelle optisch gestuurde transistors door de verwerkingssnelheid te verhogen en het apparaatontwerp te vereenvoudigen. “Onze gadgets zouden sneller kunnen worden – en dus slimmer”, zegt Julia Stähler en voegt eraan toe: “Laag vermogen, ultrasnelle omschakeling van geleidingseigenschappen zal ons een hoge snelheid en ontwerpflexibiliteit bieden.” Zij en haar groep zijn ervan overtuigd dat hetzelfde zal gelden voor andere halfgeleidende materialen, zodat hun ontdekking waarschijnlijk veel verder zal reiken dan alleen zinkoxide.