Wurtsiittiferrosähköistä elektroniikkaa

Uusi puolijohteiden luokka, joka pystyy tallentamaan informaatiota sähkökenttiin, voisi mahdollistaa pienemmällä teholla toimivat tietokoneet, kvanttitarkkuuden anturit ja signaalien muuntamisen sähköisten, optisten ja akustisten muotojen välillä – mutta kuinka ne säilyttivät kaksi vastakkaista sähköistä polarisaatiota samassa materiaalissa, on tähän asti ollut mysteeri.

Nyt Michiganin yliopiston insinöörien johtama ryhmä on löytänyt syyn siihen, miksi materiaalit, joita kutsutaan wurtsiittiferrosähköisiksi nitrideiksi, eivät eriydy.

"Wurtsiittiset ferrosähköiset nitridit löydettiin äskettäin, ja niillä on laaja valikoima sovelluksia muistielektroniikassa, RF-elektroniikassa, akustoelektroniikassa, mikrosähkömekaanisissa järjestelmissä ja kvanttifotoniikassa, vain muutamia mainitakseni. Mutta ferrosähköisen kytkennän ja varauksen kompensoinnin taustalla oleva mekanismi on pysynyt vaikeaselkoisena", Zetian Mi sanoo.

"Miten materiaali stabiloituu? Se oli suurelta osin tuntematon."

Nämä uudet puolijohteet voivat olla aluksi polarisoituneena yhteen suuntaan. Altistuminen sähkökentälle voi muuttaa materiaalin polarisaation ja kun sähkökenttä on pois päältä, käännetty polarisaatio pysyy.

Mutta usein koko materiaali ei vaihda polarisaatiota. Sen sijaan se on jakaantunut alkuperäisen polarisaation ja käänteisen polarisaation alueisiin. Missä nämä alueet kohtaavat ja varsinkin missä kaksi positiivista päätä kohtaavat, tutkijat eivät ole ymmärtäneet, miksi hylkiminen ei aiheuttanut fyysistä katkosta materiaaliin.

"Periaatteessa polarisaation epäjatkuvuus ei ole vakaa", sanoi tohtoritutkija Danhao Wang. "Näillä rajapinnoilla on ainutlaatuinen atomijärjestely, jota ei ole koskaan aiemmin havaittu. Ja mikä vielä jännittävämpää, havaitsimme, että tämä rakenne saattaa sopia johtaville kanaville tulevissa transistoreissa."

Mi:n ryhmän johtamilla kokeellisilla tutkimuksilla ja professori Emmanouil Kioupakisin ryhmän johtamilla teorialaskelmilla ryhmä havaitsi, että materiaalissa on atomimittakaavainen katkos, mutta tämä rikkoutuminen luo liiman, joka pitää sen myös koossa.

Vaakasuorassa liitoksessa, jossa kaksi positiivista päätä kohtaavat, kiderakenne murtuu, jolloin syntyy joukko roikkuvia sidoksia. Ne sisältävät negatiivisesti varautuneita elektroneja, jotka tasapainottavat täydellisesti ylimääräisen positiivisen varauksen kunkin puolijohdealueen reunalla.

"Se on yksinkertainen ja tyylikäs tulos – äkillinen polarisaation muutos aiheuttaisi tyypillisesti haitallisia vikoja, mutta tässä tapauksessa syntyneet katkenneet sidokset antavat juuri sen varauksen, joka tarvitaan materiaalin stabilointiin", sanoi Kioupakis.

"Huomattavaa on, että tämä varauksen peruuttaminen ei ole vain onnekas sattuma - se on suora seuraus tetraedrien geometriasta", hän sanoi. "Tämä tekee siitä universaalin stabilointimekanismin kaikissa tetraedrisissä ferrosähköisissä materiaaleissa - materiaaliluokka, joka saa nopeasti huomiota mahdollisuuksistaan seuraavan sukupolven mikroelektroniikkalaitteissa."

Ryhmä havaitsi tämän elektronimikroskopialla, joka paljasti käyttämänsä tietyn puolijohteen, skandiumgalliumnitridin, atomirakenteen. Siellä missä alueet kohtasivat, tavallinen kuusikulmainen kiderakenne painui useiden atomikerrosten päälle, mikä loi katkenneita sidoksia. Mikroskooppi osoitti, että kerrokset olivat lähempänä toisiaan kuin normaalisti, mutta tiheysfunktionaalisen teorialaskelmia tarvittiin roikkuvan sidosrakenteen paljastamiseksi.

Sen lisäksi, että roikkuvien sidosten elektronit pitävät materiaalia koossa, ne luovat säädettävän sähkön supervaltatien liitosta pitkin, jossa on noin 100 kertaa enemmän varauksen kantajia kuin tavallisessa galliumnitriditransistorissa. Tämä moottoritie voidaan sammuttaa ja käynnistää, siirtää materiaalin sisällä ja tehdä enemmän tai vähemmän johtavaksi kääntämällä, liikuttamalla, vahvistamalla tai heikentämällä polarisaation määräävää sähkökenttää.

Tiimi huomasi heti sen potentiaalin kenttävaikutustransistorina, joka voisi tukea suuria virtoja, mikä sopii suuritehoiseen ja suurtaajuiseen elektroniikkaan. Sellaisen he suunnittelevat rakentavansa seuraavaksi.

Aiheesta aiemmin:

Liukuvaa ferrosähköisyyttä ja timantteja

Ferrosähköisyyttä piin kanssa ja yhdellä alkuaineella