Nanoenereerde schakelaars van de volgende generatie kunnen warmteverlies in elektronica verminderen

Elektronische apparaten verliezen energie als warmte als gevolg van de beweging van elektronen. Nu, een doorbraak in nanoengineering heeft een nieuw soort schakelaar geproduceerd die overeenkomt met de prestaties van de beste traditionele ontwerpen, terwijl hij verder gaat dan de stroomverbruiklimieten van moderne elektronica.

Onderzoekers van de Universiteit van Michigan hebben bereikt wat wetenschappers al lang proberen uit te voeren: het ontwerpen van elektronica die excitonen benutten-paren van een elektron en een overeenkomstig gat (een ontbrekend elektron) dat samen een ladingsneutrale deeltje vormt-in het plaats van elektronen.

Het nieuw ontworpen nanoengineered OptoExcitonics (NEO) -apparaat bevatte een Tungsten Diselenide (WSE₂) Monolaag op een taps toelopend siliciumdioxide (SIO₂) Nanoridge. De schakelaar bereikte een verlies van 66% in vergelijking met traditionele schakelaars, terwijl een aan -off -ratio van 19 dB bij kamertemperatuur werd overtroffen, een prestatie die de beste elektronische schakelaars die op de markt beschikbaar zijn, wedijvert.

De bevindingen worden gepubliceerd in ACS nano.

De reis van elektronen door een geleider is niet altijd glad. Hoewel het geleiden van materialen die elektronen erdoorheen kunnen stromen, weerstaan ​​ze de elektronenstroom tot op zekere hoogte. De weerstand tegen stroming zorgt ervoor dat een deel van de energie in de elektronen omzet in thermische energie. Deze emissie van energie als warmte is wat laptops, smartphones en andere huishoudelijke elektronica opwarmt.

Omdat excitonen geen elektrische lading dragen, verminderen ze het energieverlies drastisch en verbeteren ze de efficiëntie. Wetenschappers hebben echter moeite om excitonen te beheersen omdat ze geen lading hebben, waardoor het moeilijk is om ze snel, in een gecontroleerde richting te verplaatsen en over afstanden lang genoeg voor praktische toepassingen zoals schakelaars.

Voor het NEO -apparaat hebben de onderzoekers excitonen gebruikt in een monolaag van wolfraamdiselenide (WSE₂), een materiaal met een bindende energie hoog genoeg om excitonen stabiel te houden, zelfs bij kamertemperatuur. De WSE₂ Laag werd vervolgens op een zorgvuldig ontworpen siliciumdioxide geplaatst (SIO₂) nanoridge met tapsers.

De opstelling stelde de onderzoekers in staat om langdurige problemen te overwinnen door sterke interacties tussen lichte en donkere excitonen mogelijk te maken (excitons die geen licht uitzenden), wat resulteerde in een kwantumeffect dat de hele excitonpopulatie kan trekken om zowel verder als sneller te transporteren-tot 400% meer dan populaire exciton-gidsen.

De exciton-lichtinteractie genereerde ook een sterke opto-excitonische kracht die een energiebarrière vormde die de excitonstroom kon blokkeren om het signaal “uit te schakelen” en het proces om te keren wanneer dat nodig is. Bovendien beheerste het NEO-apparaat de directionaliteit van exciton met behulp van een taps toelopende nanoridegructuur, die een directionele kracht creëert die fungeert als een fotonische gids, die excitons stuurt langs een enkel, goed gedefinieerd pad.

De onderzoekers merken op dat hun bevindingen aantonen hoe een op maat gemaakt structureel ontwerp excitontransport kan verbeteren en beheersen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor excitonische apparaten van de volgende generatie die de kloof tussen elektronica en fotonica overbruggen.