Силиконов LED създаден от бръмчене на повърхността с високоскоростни електрони

„АкоУвеличи / Ако само контролирането на електронното поведение беше толкова лесно, колкото и изграждане на атомни илюстрации от детски играчки … Japatino / Гети изображения

Преди много време, на място, не толкова отдалечено, вярвах че бъдещите лазери и оптика биха чукнали електрониката в калай шапка. И все пак силициевата електроника все още доминира във всички форми на изчисление и технология на интегралната схема. Единственото място, където правила за оптика е в комуникацията, но дори и там, степента на царството на оптиката е ограничено.

За да бъде оптиката наистина полезна, тя трябва да се основава на същото технология като електронни интегрални схеми: допълващ метал оксидни полупроводници (CMOS). В това се крие проблемът – няма източници на светлина, които са съвместими с CMOS. Ново изследване, включващо бар-бръмчащи електрони, може да създаде бъдеще за силициева светлина източници, но само ако има някои доста фундаментални проблеми решен.

Силиконовата тъмна тайна

Светодиодите са толкова евтини, колкото чиповете, но не са направени от силиций. Защо? Защото силицийът не обича да отделя светлина.

Полупроводниците на общо ниво са еднакви. Електроните може да съществува във валентната лента, където са залепени обвързани с a локален атом, или те могат да бъдат в зоната на проводимост, където са свободно да се движиш.

За да премине електрон от валентността към лентата на проводимост, тя трябва да придобие енергия, по-голяма от разликата в енергията между лентите на валентност и проводимост. Когато падне електрон от лентата на проводимост до валентната лента, тя трябва да загуби това енергия. В светодиод електроните отпадат от проводима лента чрез загуба на енергия под формата на светлина. И, важното е, че те могат да направят това с една стъпка.

В силиция, електроните трябва да излъчват фотон и звук вибрация (фонон) в същото време, за да достигне валентната зона. Вместо това електронът обикновено намира начин да загуби енергията без да излъчва фотон, така че не излиза светлина. Резултатът не е че силициевите светодиоди са невъзможни, но че те са са невъзможни неефективни.

Бръмчене на светлината от силиций

За да се преодолее този проблем, екип от изследователи реши да направи изплаши светлината от силиций. Представете си електрон на средна възраст, удобно пребиваващи в среден клас малко силиций. Внезапно, от нищото, електронът на момче-състезател реве по силиция повърхност, като изплаши цялата външна тежест от обвързания със силиций електрон. Какъв е резултатът? Нашият смутен електрон излъчва своето възмущение в буря от светлина и ярост.

Малко по-подробно: изследователите моделират силиция, така че има поредица от повдигнати пръти по повърхността. Тогава изследователите изстрелват електрони по протежение на повърхността, така че да преминават през барове. Когато бързодействащият електрон се приближава до една лента, другата електроните в силиция се прогонват от повърхността. Тъй като ускоряващият се електрон се движи напред, електроните се отпускат обратно на повърхността в серия от трептения, които водят до излъчване на светлина.

Защо барове? Защо не плоска повърхност? Е, всеки бар произвежда светлина независимо. Където виждаме светлината (на разстояние), виждаме само продуктът от сместа или интерференцията между всички пръти. Чрез разделяне на емисионните места и избиране на енергията на ускоряващи електрони, ние избираме за определени цветове светлина до доминират в емисионния спектър.

В крайна сметка резултатът е структура, която може да бъде настроена да излъчва светлина в доста широк диапазон от дължини на вълните. Още по-добре, с подобрен контрол на електронния лъч и обратна връзка, може да бъде възможно е да се направи един вид безплатен електронен лазер, с изключение на електроните не са напълно свободни – те са в силиций. Но в моментът, който всички изследователи имат, е слаба светеща част силиций, защото (както при всички първи) ефективността наистина е беден.

Яснотата и чистотата на силиция

Този начин на производство на светлина е стар трик. Известно е че стреля по електронен лъч по структурирана метална повърхност ще доведе до светлина, така че какво прави това специално? Изследователите интуитивно две предимства, които силицият би имал пред метала.

Първо, металите са малко объркани. Да, те имат много електрони които са безплатни и следователно лесни за движение. Но тези електроните също се сблъскват помежду си и околните ядра, така те губят енергията си по много различни начини. В крайна сметка само се излъчва малка част от енергията, предадена на електроните малко. Но в силиция, всички електрони са свързани с локална ядро. Кристалният силиций предоставя по-малко възможности за губят енергия, така че радиацията се излъчва малко по-лесно.

Другият плюс е, че металите не са прозрачни, докато силицият е. Това намалява вероятността светлината да се абсорбира преди нея напуска повърхността.

Тези предимства дават надежда на изследователите, че по-висока ефективността (от порядъка на 10%) може да се получи. Въпреки това, гарантира се предпазливост. Спомнете си за стрелба на електрон по протежение на повърхността? Това трябва да пътува във вакуум. Къде бързо идват ли електрони? Сканиращ електронен микроскоп. Най- изследователите очакват, че целият комплект, включително електронния пистолет, може да се капсулира върху чип. Но изискването за вакуум не е си отивам и не съм сигурен, че това някога ще е CMOS съвместими.

Nature Communications, 2019, DOI: 10.1038 / s41467-019-11070-7 (За DOI)

Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: