Gli ingegneri dell'Università della California di San Diego hanno fabbricato il primo senza semiconduttori, dispositivo microelettronico a controllo ottico. Utilizzando metamateriali, gli ingegneri sono stati in grado di costruire un dispositivo in microscala che mostra un 1, 000 percento di aumento della conduttività quando attivato da bassa tensione e un laser a bassa potenza.

La scoperta apre la strada a dispositivi microelettronici più veloci e in grado di gestire più potenza, e potrebbe anche portare a pannelli solari più efficienti. L'opera è stata pubblicata il 4 novembre in Comunicazioni sulla natura .

Le capacità dei dispositivi microelettronici esistenti, come i transistor, sono in ultima analisi limitati dalle proprietà dei loro materiali costitutivi, come i loro semiconduttori, ricercatori hanno detto.

Per esempio, i semiconduttori possono imporre limiti alla conduttività di un dispositivo, o flusso di elettroni. I semiconduttori hanno quello che viene chiamato un gap di banda, il che significa che richiedono una spinta di energia esterna per far fluire gli elettroni attraverso di loro. E la velocità degli elettroni è limitata, poiché gli elettroni si scontrano costantemente con gli atomi mentre fluiscono attraverso il semiconduttore.

Un team di ricercatori dell'Applied Electromagnetics Group guidato dal professore di ingegneria elettrica Dan Sievenpiper alla UC San Diego ha cercato di rimuovere questi ostacoli alla conduttività sostituendo i semiconduttori con elettroni liberi nello spazio. "E volevamo farlo su scala micro, " disse Ebrahim Forati, un ex ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Sievenpiper e primo autore dello studio.

Però, liberare elettroni dai materiali è impegnativo. Richiede l'applicazione di alte tensioni (almeno 100 Volt), laser ad alta potenza o temperature estremamente elevate (più di 1, 000 gradi Fahrenheit), che non sono pratici nei dispositivi elettronici su micro e nanoscala.

Per affrontare questa sfida, Il team di Sievenpiper ha fabbricato un dispositivo su microscala in grado di rilasciare elettroni da un materiale senza requisiti così estremi. Il dispositivo è costituito da una superficie ingegnerizzata, chiamata metasuperficie, sopra un wafer di silicio, con uno strato di biossido di silicio in mezzo. La metasuperficie è costituita da una serie di nanostrutture a forma di fungo d'oro su una serie di strisce d'oro parallele.

La metasuperficie dorata è progettata in modo tale che quando vengono applicati sia una bassa tensione CC (sotto i 10 Volt) sia un laser a infrarossi a bassa potenza, la metasuperficie genera "punti caldi", punti con un campo elettrico ad alta intensità, che forniscono energia sufficiente per estrarre gli elettroni dal metallo e liberarli nello spazio.

I test sul dispositivo hanno mostrato un 1, 000 percento di variazione della conduttività. "Ciò significa più elettroni disponibili per la manipolazione, " disse Ebrahim.

"Questo certamente non sostituirà tutti i dispositivi a semiconduttore, ma potrebbe essere l'approccio migliore per alcune applicazioni speciali, come frequenze molto alte o dispositivi ad alta potenza, " Disse Sievenpiper.

Secondo i ricercatori, questa particolare metasuperficie è stata progettata come un proof-of-concept. Diverse metasuperfici dovranno essere progettate e ottimizzate per diversi tipi di dispositivi microelettronici.

"Dobbiamo poi capire fino a che punto possono essere scalati questi dispositivi e i limiti delle loro prestazioni, " Ha detto Sievenpiper. Il team sta anche esplorando altre applicazioni per questa tecnologia oltre all'elettronica, come la fotochimica, fotocatalisi, abilitare nuovi tipi di dispositivi fotovoltaici o applicazioni ambientali.