17 آوریل 2025-نیمه هادی های فروالکتریک-
نیمه هادی های فروالکتریک، دسته جدیدی از تراشه ها، می توانند اطلاعات را در میدان های الکتریکی ذخیره کنند و می توانند رایانه هایی را که با توان کمتر کار می کنند، حسگرهایی با دقت کوانتومی و تبدیل سیگنال ها بین اشکال الکتریکی، نوری و صوتی را فعال کنند.
با این حال، تراشه‌ها در این شرایط مستعد از هم پاشیدن هستند، و اینکه چگونه نیمه‌رسانای فروالکتریک دو قطبش الکتریکی مخالف را در یک ماده حفظ می‌کنند، تاکنون یک راز باقی مانده است.اکنون تیمی به رهبری مهندسان دانشگاه میشیگان دلیل تجزیه نشدن مواد به نام نیترید فروالکتریک wurtzite را کشف کرده اند.
زتیان می، استاد مهندسی دانشگاه Pallab K. Bhattacharya و نویسنده همکار، توضیح داد: «نیتریدهای فروالکتریک wurtzite اخیراً کشف شده‌اند و طیف گسترده‌ای از کاربردها در الکترونیک حافظه، الکترونیک RF (فرکانس رادیویی)، آکوستو-الکترونیک، سیستم‌های ریزالکترومکانیکی و چند نام کوچک از میکروالکترومکانیکی دارند.
“اما مکانیسم اساسی سوئیچینگ فروالکتریک و جبران بار مبهم باقی مانده است. مواد چگونه تثبیت می شوند؟ تا حد زیادی ناشناخته بود.”
تغییرات پلاریزاسیون در نیمه هادی های فروالکتریک
اغلب، این کل مواد نیست که قطبش را تغییر می دهد. در عوض، به حوزه‌های قطبش اصلی و قطبش معکوس تقسیم می‌شود.در جایی که این حوزه ها به هم می رسند، و به ویژه جایی که دو انتهای مثبت به هم می رسند، محققان متوجه نشدند که چرا دافعه باعث ایجاد گسست فیزیکی در نیمه هادی های فروالکتریک نشده است.
Danhao Wang، محقق فوق دکتری U-M در مهندسی برق و کامپیوتر و نویسنده همکار این مطالعه گفت: “در اصل، ناپیوستگی قطبی شدن پایدار نیست.این رابط‌ها آرایش اتمی منحصر به فردی دارند که قبلاً مشاهده نشده بود. جالب‌تر اینکه ما مشاهده کردیم که این ساختار ممکن است برای کانال‌های رسانا در ترانزیستورهای آینده مناسب باشد.»
چسبی که پیوندها را در کنار هم نگه می دارد
با مطالعات تجربی، تیم دریافتند که یک شکست در مقیاس اتمی در ماده وجود دارد. با این حال، این شکستن باعث ایجاد چسبی می شود که آن را به هم نگه می دارد.در مفصل افقی، جایی که دو انتهای مثبت به هم می رسند، ساختار کریستالی شکسته می شود و دسته ای از پیوندهای آویزان ایجاد می کند.این پیوندها حاوی الکترون هایی با بار منفی هستند که بار مثبت اضافی را در لبه هر حوزه در نیمه هادی های فروالکتریک کاملاً متعادل می کنند.
امانویل کیوپاکیس، استاد علوم و مهندسی مواد U-M و نویسنده مسئول، اظهار داشت: “این یک نتیجه ساده و ظریف است – یک تغییر قطبی ناگهانی معمولاً نقص‌های مضر ایجاد می‌کند، اما در این مورد، پیوندهای شکسته شده دقیقاً شارژ مورد نیاز برای تثبیت مواد را فراهم می‌کنند.”
این باعث می‌شود که این یک مکانیسم تثبیت‌کننده جهانی در همه فروالکتریک‌ها باشد – دسته‌ای از مواد که به سرعت به دلیل پتانسیل خود در دستگاه‌های میکروالکترونیکی نسل بعدی توجه را به خود جلب می‌کنند.»
پشتیبانی از جریان های بالا با نیترید گالیوم
با میکروسکوپ الکترونی، این تیم کشف کردند که ساختار اتمی نیمه هادی های فروالکتریک از نیترید گالیوم اسکاندیم تشکیل شده است.در جایی که دامنه ها به هم می رسند، ساختار کریستالی شش ضلعی معمول بر روی چندین لایه اتمی کمانیده می شود و پیوندهای شکسته را ایجاد می کند. میکروسکوپ نشان داد که لایه‌ها نزدیک‌تر از حالت عادی به هم هستند، اما محاسبات تئوری تابعی چگالی برای آشکار کردن ساختار پیوند آویزان مورد نیاز بود.
علاوه بر نگه داشتن مواد در کنار هم، الکترون‌های موجود در پیوندهای آویزان یک بزرگراه قابل تنظیم برای الکتریسیته در امتداد اتصال ایجاد می‌کنند، با حدود 100 برابر حامل‌های بار بیشتر از یک ترانزیستور معمولی نیترید گالیوم.آن بزرگراه را می توان خاموش و روشن کرد، درون ماده جابجا کرد و با معکوس کردن، حرکت دادن، تقویت یا تضعیف میدان الکتریکی که قطبش را تنظیم می کند، کم و بیش رسانایی کرد.
این تیم بلافاصله متوجه پتانسیل آن به عنوان یک ترانزیستور اثر میدانی شد که می تواند جریان های بالا را پشتیبانی کند و برای الکترونیک پرقدرت و فرکانس بالا خوب باشد. این همان چیزی است که آنها قصد دارند در آینده بسازند.
