Новый класс полупроводников, способных хранить информацию в электрических полях, может позволить создавать компьютеры, потребляющие меньше энергии, датчики с квантовой точностью и преобразовывать сигналы между электрическими, оптическими и акустическими формами, но то, как они поддерживают две противоположные электрические поляризации в одном и том же материале, остается загадкой.
Теперь группа под руководством инженеров из Мичиганского университета обнаружила причину, по которой материалы, называемые вюрцитными сегнетоэлектрическими нитридами, не распадаются.
«Вюрцитные сегнетоэлектрические нитриды были недавно открыты и имеют широкий спектр применения в запоминающей электронике, радиочастотной электронике, акустоэлектронике, микроэлектромеханических системах и квантовой фотонике, и это лишь некоторые из них.
Но базовый механизм сегнетоэлектрического переключения и компенсации заряда оставался неясным», — сказал Цзетиан Ми, профессор инженерии в Университете Паллаба К.
Бхаттачарья и соавтор исследования в журнале Nature. «Как стабилизируется материал? Это было в значительной степени неизвестно». Электрическая поляризация немного похожа на магнетизм, но в то время как стержневой магнит имеет северный и южный конец, электрически поляризованный материал имеет положительный и отрицательный конец.
Новые полупроводники могут изначально быть поляризованными в одном направлении.
Воздействие электрического поля может переключить поляризацию материала — положительный конец становится отрицательным и наоборот — и как только электрическое поле отключается, обратная поляризация остается.
Но часто не весь материал переключает поляризацию. Вместо этого он делится на домены исходной поляризации и обратной поляризации. Там, где эти домены встречаются, и особенно там, где сходятся два положительных конца, исследователи не понимали, почему отталкивание не создает физического разрыва в материале.
«В принципе, разрыв поляризации нестабилен», — сказал Данхао Ван, научный сотрудник UM в области электротехники и вычислительной техники и соавтор исследования.
«Эти интерфейсы имеют уникальное расположение атомов, которое никогда ранее не наблюдалось. И что еще более захватывающе, мы обнаружили, что эта структура может быть пригодна для проводящих каналов в будущих транзисторах».
Благодаря экспериментальным исследованиям, проведенным командой Ми, и теоретическим расчетам, проведенным группой Эммануила Киупакиса, профессора материаловедения и инженерии Мичиганского университета, команда обнаружила, что в материале есть разрыв на атомном уровне, но этот разрыв создает клей, который удерживает его вместе.
На горизонтальном стыке, где встречаются два положительных конца, кристаллическая структура ломается, создавая пучок оборванных связей.
Эти связи содержат отрицательно заряженные электроны, которые идеально уравновешивают избыточный положительный заряд на краю каждого домена внутри полупроводника. «Это простой и элегантный результат — резкое изменение поляризации обычно приводит к появлению вредных дефектов, но в этом случае образовавшиеся разорванные связи обеспечивают именно тот заряд, который необходим для стабилизации материала», — сказал Киупакис, также научный сотрудник факультета имени Карла Ф.
и Патрисии Дж.
Бетц и соавтор исследования. «Примечательно, что эта отмена заряда — не просто счастливая случайность, а прямое следствие геометрии тетраэдров», — сказал он.
«Это делает ее универсальным стабилизирующим механизмом во всех тетраэдрических сегнетоэлектриках — классе материалов, который быстро привлекает внимание своим потенциалом в микроэлектронных устройствах следующего поколения».
Команда обнаружила это с помощью электронной микроскопии , которая выявила атомную структуру конкретного полупроводника, который они использовали, скандия-галлия нитрида. Там, где домены встречались, обычная гексагональная кристаллическая структура была смята на нескольких атомных слоях, создавая разорванные связи.
Микроскопия показала, что слои были ближе друг к другу, чем обычно, но для выявления структуры оборванных связей требовались расчеты теории функционала плотности.
Помимо того, что они удерживают материал вместе, электроны в оборванных связях создают регулируемую супермагистраль для электричества вдоль соединения, с примерно в 100 раз большим количеством носителей заряда, чем в обычном транзисторе на основе нитрида галлия.
Эту магистраль можно включать и выключать, перемещать внутри материала и делать более или менее проводящей, изменяя направление, перемещая, усиливая или ослабляя электрическое поле, которое задает поляризацию.
Команда сразу заметила его потенциал как полевого транзистора, который может поддерживать высокие токи, что хорошо для мощной и высокочастотной электроники. Это то, что они планируют построить дальше.
Рубрика: Hi-Tech. Читать весь текст на android-robot.com.