La maggior parte dei dispositivi elettronici attualmente contiene chip a base di silicio. Altri materiali semiconduttori mostrano potenziale, ma necessitano di ulteriori ricerche per diventare commercialmente fattibili. I ricercatori della KAUST hanno analizzato a fondo uno di questi materiali, i nanofili di nitruro di metallo, avvicinandoli sempre di più all'utilità.
Quando i semiconduttori di nitruro di metallo sono disposti in fili di dimensioni nanometriche, diventano estremamente sensibili alla luce, possibilità di apertura per l'elettronica ottica. Una sfida notevole, tuttavia, è che sebbene i nanofili di nitruro di metallo funzionino bene a basse temperature, gli effetti termici possono influenzare notevolmente le loro prestazioni a temperatura ambiente. Per affrontare questo problema, Nasir Alfaraj con il suo dottorato di ricerca. il supervisore Xiaohang Li e i colleghi della KAUST hanno prodotto lo studio più dettagliato finora su questi effetti termici.
I ricercatori hanno preparato nanofili a base di nitruro di gallio (GaN) in una struttura p-i-n, un sandwich con strati delle cosiddette versioni di tipo p e n del semiconduttore che circondano uno strato inalterato. I semiconduttori di tipo N sono drogati con materiali che forniscono elettroni extra, mentre i tipi p sono drogati con materiali con meno elettroni, lasciando "buchi" nella struttura cristallina. Sia gli elettroni che le lacune agiscono come portatori di carica, conferendo ai dispositivi a semiconduttore le loro utili proprietà elettroniche.
"I nanofili p-i-n basati su GaN sono adatti per la fabbricazione di attenuatori di segnale, commutatori digitali ad alta frequenza e fotorilevatori ad alte prestazioni, " disse Alfaraj. "Eppure, le loro prestazioni sono influenzate negativamente quando gli elettroni e le lacune si ricombinano, soprattutto vicino alla temperatura ambiente."
Più specificamente, quando un campo elettrico agisce attraverso un nanofilo, l'equilibrio di elettroni e lacune può essere influenzato, pompare calore lontano dal dispositivo sotto forma di radiazione termica. I dispositivi agiscono efficacemente come mini frigoriferi, e le loro prestazioni diminuiscono man mano che si raffreddano.
Per quantificare questo effetto, Alfaraj e colleghi hanno diretto un laser al titanio-zaffiro sui loro nanofili e hanno misurato le emissioni fotoluminescenti che uscivano dal campione. Sono stati quindi in grado di calcolare l'"entropia fotoindotta" del sistema:una quantità termodinamica che rappresenta l'indisponibilità dell'energia di un sistema per la conversione in lavoro a causa della refrigerazione a luminescenza.
A temperature di sistema superiori a 250 K, i processi di ricombinazione non radiativa elettrone-lacuna diventano dominanti:gli elettroni cadono nei fori, provocando un aumento dell'entropia fotoindotta e riducendo le prestazioni del dispositivo.
"Abbiamo in programma di studiare l'entropia fotoindotta in altri materiali, come nanofili di nitruro di alluminio-gallio e ossido di zinco, " ha detto Alfaraj. "Confronteremo anche diversi diametri di nanofili e studieremo altre strutture, come le pellicole sottili".
Questi studi aiuteranno gli ingegneri a realizzare dispositivi a nanofili di nitruro di metallo che siano termicamente stabili e adatti all'uso quotidiano.
