近日，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校（University of California San Diego）的工程師利用超材料（metamaterials）研發(fā)出世界上首個(gè)無半導(dǎo)體的光控微電子器件，該電子器件僅在低電壓、低功率激光的激發(fā)下，導(dǎo)電性能相比傳統(tǒng)增加10倍。該技術(shù)有利于制造更快、更高功率的微電子器件，并有望制造更高效的太陽能電池板。

　　該研究發(fā)表于11月4日的國際期刊《Nature Communications》。

　　無半導(dǎo)體電子器件。圖片來源：UCSan Diego Applied Electromagnetics Group

　　現(xiàn)有的傳統(tǒng)微電子器件，如晶體管等，其性能最終都會(huì)受到其構(gòu)成材料性能的限制。例如，半導(dǎo)體本身的性質(zhì)限制了器件的導(dǎo)電性或電子流。因?yàn)榘雽?dǎo)體有所謂的帶隙，這就意味著需要施加一定的外部能量來促使電子躍過帶隙。此外，電子速度也是有限制的，因?yàn)楫?dāng)電子通過半導(dǎo)體時(shí)，總是會(huì)與半導(dǎo)體內(nèi)部的原子發(fā)生相互碰撞。

　　UC San Diego電氣工程學(xué)教授丹·西文皮珀（Dan Sievenpiper）帶領(lǐng)的應(yīng)用電磁學(xué)小組（AppliedElectromagnetics Group）探索了利用空間自由電子替代半導(dǎo)體的方法來克服傳統(tǒng)電子器件的局限性。該研究的第一作者易卜拉辛·佛拉狄（EbrahimForati）說：“并且，我們希望在微觀上實(shí)現(xiàn)。“

　　然而，從材料中釋放電子的過程很有挑戰(zhàn)性。這個(gè)過程要么需要施加高電壓（至少100伏特）以及大功率紫外激光，要么需要極高的溫度（超過1000華氏溫度），這在微米和納米級(jí)的電子器件上是不切實(shí)際的。

　　無半導(dǎo)體微電子器件（左上）及其上的Au超穎表面（右上，下）的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。圖片來源：UC San Diego Applied Electromagnetics Group

　　為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，西文皮珀團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)可以從材料中釋放電子的光電放射微型器件，并且釋放條件并沒那么苛刻。

　　該器件由硅片基底、二氧化硅隔層以及頂部一層稱為“超穎表面”（metasurface）的工程表面組成。超穎表面由平行的條狀A(yù)u（金）陣列以及其上的蘑菇狀A(yù)u納米結(jié)構(gòu)陣列組成。

　　Au超穎表面的設(shè)計(jì)目的是，當(dāng)同時(shí)施加直流低電壓（低于10伏特）以及低功率紅外激光時(shí)，超穎表面會(huì)產(chǎn)生具有高強(qiáng)度電場(chǎng)的“熱點(diǎn)”（hot spots），這些“熱點(diǎn)”的能量足以將電子從金屬中“拉”出來，從而釋放自由電子。

　　器件測(cè)試結(jié)果顯示，其導(dǎo)電率增強(qiáng)了10倍之多。易卜拉辛說：“這意味著可以操控更多的自由電子”。

　　西文皮珀說： “當(dāng)然，這并不會(huì)取代所有的半導(dǎo)體器件，但是對(duì)于某些特定應(yīng)用來說，這可能是最佳方案，比如高頻率或高功率器件等。”

　　研究者稱，目前這個(gè)特殊的Au超穎表面只是概念驗(yàn)證性設(shè)計(jì)，針對(duì)不同類型的微電子器件，還需要進(jìn)行不同超穎表面的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。研究者稱，下一步還需了解這些器件的擴(kuò)展性以及其性能的局限性。”

　　除了電子器件應(yīng)用方面，該團(tuán)隊(duì)還在探索這項(xiàng)技術(shù)的其他應(yīng)用，例如光化學(xué)，光催化等，以期能夠?qū)崿F(xiàn)新型光伏器件或環(huán)境應(yīng)用器件。