Confronto della struttura a bande dell'oscillazione indotta da GaAs e Si e NDR in un diodo Gunn. Strutture a bande di (a) arseniuro di gallio con bandgap diretta. Le sottobande dirette e indirette sono chiamate Γ e L valley, rispettivamente. L'offset energetico è 300 meV. (b) Resistenza differenziale negativa (NDR) per GaAs a causa della caduta di velocità per gli elettroni che sono migrati alla banda di massa efficace (L). L'NDR proveniva da un ampio rapporto tra la massa effettiva della sottobanda di conduzione indiretta e diretta che è di circa 100 per GaAs. (c) La rete elettrica mostra come la compensazione della perdita di un risonatore LC elettrico utilizzando un diodo Gunn con NDR si traduca in un'oscillazione perpetua nelle frequenze delle microonde. (d) Struttura a banda del silicio sfuso con un offset superiore a 1 eV tra le valli e Χ, il che spiega perché non vi è NDR nel silicio sfuso. (e) Il secondo tipo di oscillazione Gunn (intrinseca) è il risultato della formazione ripetitiva di un sandwich di accumulo/esaurimento all'interno del materiale sfuso che si muove con velocità di deriva satura dal catodo all'anodo. Credito: Rapporti scientifici (2018). DOI:10.1038/s41598-018-24387-y
I ricercatori che utilizzano potenti supercomputer hanno trovato un modo per generare microonde con silicio poco costoso, una svolta che potrebbe ridurre drasticamente i costi e migliorare dispositivi come i sensori nei veicoli a guida autonoma.
"Fino ad ora, questo era considerato impossibile, " disse C.R. Selvakumar, un professore di ingegneria all'Università di Waterloo che ha proposto il concetto diversi anni fa.
Le microonde ad alta frequenza trasportano segnali in un'ampia gamma di dispositivi, comprese le unità radar utilizzate dalla polizia per catturare gli speeder e i sistemi di prevenzione delle collisioni nelle auto.
Le microonde sono tipicamente generate da dispositivi chiamati diodi Gunn, che sfruttano le proprietà uniche di materiali semiconduttori costosi e tossici come l'arseniuro di gallio.
Quando la tensione viene applicata all'arseniuro di gallio e poi aumentata, aumenta anche la corrente elettrica che lo attraversa, ma solo fino a un certo punto. Oltre quel punto, la corrente diminuisce, una stranezza nota come effetto Gunn che provoca l'emissione di microonde.
Capo ricercatore Daryoush Shiri, un ex studente di dottorato di Waterloo che ora lavora alla Chalmers University of Technology in Svezia, ha utilizzato la nanotecnologia computazionale per dimostrare che lo stesso effetto potrebbe essere ottenuto con il silicio.
La seconda sostanza più abbondante sulla terra, il silicio sarebbe molto più facile da lavorare per la produzione e costa circa un ventesimo di quanto l'arseniuro di gallio.
La nuova tecnologia prevede nanofili di silicio così piccoli che ce ne vorrebbero 100, 000 di loro impacchettati insieme per eguagliare lo spessore di un capello umano.
Modelli computerizzati complessi hanno mostrato che se i nanofili di silicio venivano allungati quando veniva applicata loro la tensione, l'effetto Gunn, e quindi l'emissione di microonde, potrebbe essere indotto.
"Con l'avvento di nuovi metodi di nanofabbricazione, ora è facile modellare il silicio sfuso in forme di nanofili e usarlo per questo scopo, " disse Shiri.
Selvakumar ha affermato che il lavoro teorico è il primo passo in un processo di sviluppo che potrebbe portare a risultati molto più economici, dispositivi più flessibili per la generazione di microonde.
Il meccanismo di allungamento potrebbe anche fungere da interruttore per attivare e disattivare l'effetto, o variare la frequenza delle microonde per una miriade di nuove applicazioni che non sono ancora state nemmeno immaginate.
"Questo è solo l'inizio, " disse Selvakumar, un professore di ingegneria elettrica e informatica. "Ora vedremo dove va, come si ramificherà".
Shiri ha anche collaborato con i ricercatori Amit Verma, Reza Nekovei, Andreas Isacsson e M.P. Anantram nelle università degli Stati Uniti e della Svezia.
Il loro lavoro è stato recentemente pubblicato sulla rivista Rapporti scientifici .
