Ändern der Halbleitereigenschaften bei Raumtemperatur

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Anonim

Es ist eine kleine Veränderung, die einen großen Unterschied macht. Forscher haben eine Methode entwickelt, die eine Temperaturänderung von einem Grad verwendet, um die Farbe von Licht zu verändern, das ein Halbleiter emittiert. Das Verfahren, das einen Dünnfilm-Halbleiter verwendet, der auf ein wärmeempfindliches Substratmaterial geschichtet ist, bietet einen Weg zum elektronischen Auslösen von Änderungen der Eigenschaften von Halbleitermaterialien.

"Wir können die Farbe des Lichts, das das Material emittiert, mit nur einer kleinen Änderung der Temperatur des Substrats ändern", sagte Jian Shi, Dozent für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften am Rensselaer Polytechnic Institute. "Wenn Sie ein Material durch Temperatur manipulieren können, können Sie es möglicherweise auch mit Spannung manipulieren und ein elektronisches Gerät herstellen, und das ist wichtig. Jetzt können Sie die Emissionswellenlängen elektronisch steuern."

Die Forschung wird in "Nichtlineare Elektron-Gitter-Wechselwirkungen in einem Wurtzit-Halbleiter, der über stark korreliertes Oxid ermöglicht wird" ausführlich in einer kürzlich erschienenen Ausgabe von Advanced Materials veröffentlicht.

Materialwissenschaftler wie Shi entwickeln Materialien mit Eigenschaften, die neue Technologien ermöglichen oder besser zu aktuellen Technologien passen. Im Wesentlichen gibt es drei Hauptoptionen zum Ändern der Eigenschaften eines Materials: Ändern der Zusammensetzung, Ändern der Temperatur oder Ändern des Drucks auf das Material. Jede hat Vor- und Nachteile, und ein Material, das für kommerzielle Anwendungen geeignet ist, muss wirtschaftlich sein und die notwendigen Eigenschaften unter relativ üblichen Bedingungen aufweisen.

In dieser Studie konzentrierte sich Shi auf die Verwendung von Druck, um die Elektronetzzusammensetzung oder Symmetrie von Cadmiumsulfit zu verändern und seine Eigenschaften zu verändern. Die Verwendung von Großdruck hat mögliche Fallstricke: Es braucht viel Energie, um die Elektron-Gitter-Wechselwirkung eines Materials durch Druck zu verändern; das Erzeugen dieser Energie kann die Verwendung einer voluminösen Vorrichtung erfordern, die das Material für Anwendungen unzugänglich macht; und viele Materialien haben eine geringe Toleranz für Verformung und werden tatsächlich zerbrechen, bevor sie ausreichend verformt werden können, um neue Eigenschaften hervorzurufen. Zum Beispiel wird Cadmiumsulfit in der Masse bei 0, 1 Prozent Deformation zerbrechen, was nicht ausreicht, um seine Elektron-Gitter-Wechselwirkung und damit seine Materialeigenschaften zu ändern.

Um diese Fallgruben zu überwinden, verwendet Shi einen dünnen Film des Halbleiters - der eine größere Verformung tolerieren kann als das Volumenmaterial -, der auf einem Substratmaterial abgelagert wird, das sich bei einer nur geringen Temperaturänderung wesentlich verformt. Der dünne Film aus Cadmiumsulfit kann mindestens eine Prozent Deformation ohne Zersplittern tolerieren, was einen 10-fachen Vorteil gegenüber dem Volumenmaterial darstellt. Das Substratmaterial, Vanadiumdioxid, unterliegt einer Phasenumwandlung von Metall zu Isolator zwischen 6 und 8 Grad Celsius, wobei sich das Volumen des Materials ändert und Druck auf den auf seiner Oberfläche abgeschiedenen Dünnfilmhalbleiter ausgeübt wird.

Durch Kombination des robusten Dünnfilmhalbleiters mit dem temperaturempfindlichen Substrat kann Shi den Halbleiter leicht einer großen Belastung aussetzen.

Das Verfahren könnte auf eine Vielzahl von Dünnfilmhalbleitern und auf Substrate ausgedehnt werden, die einen Phasenübergang von Druck sowie Temperatur oder elektrostatische Dotierung erfahren.

Bezeichnenderweise deuten die Ergebnisse auch auf das Potenzial hin, aus thermischer Energie eine Spannung zu erzeugen, die zur Gewinnung von Wärmeenergie führen könnte.

"Wenn Sie die Gitterkonstante und die Symmetrie eines Materials ändern, können Sie manchmal Energie erzeugen, wie eine Stromspitze", sagte Shi. "Wenn wir thermische Energie durch Änderung der Symmetrie des Materials in Elektrizität umwandeln können, können wir thermische Energie gewinnen."

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