Los ingenieros de la Universidad de California en San Diego han fabricado el primer semiconductor, Dispositivo microelectrónico de control óptico. Usando metamateriales, Los ingenieros pudieron construir un dispositivo a microescala que muestra un 1, 000 por ciento de aumento en la conductividad cuando se activa por bajo voltaje y un láser de baja potencia.

El descubrimiento allana el camino para dispositivos microelectrónicos que son más rápidos y capaces de manejar más energía, y también podría conducir a paneles solares más eficientes. El trabajo fue publicado el 4 de noviembre en Comunicaciones de la naturaleza .

Las capacidades de los dispositivos microelectrónicos existentes, como transistores, están limitados en última instancia por las propiedades de sus materiales constituyentes, como sus semiconductores, dijeron los investigadores.

Por ejemplo, los semiconductores pueden imponer límites a la conductividad de un dispositivo, o flujo de electrones. Los semiconductores tienen lo que se llama banda prohibida, lo que significa que requieren un impulso de energía externa para que los electrones fluyan a través de ellos. Y la velocidad de los electrones es limitada, ya que los electrones chocan constantemente con los átomos a medida que fluyen a través del semiconductor.

Un equipo de investigadores del Applied Electromagnetics Group dirigido por el profesor de ingeniería eléctrica Dan Sievenpiper en UC San Diego buscó eliminar estos obstáculos a la conductividad reemplazando semiconductores con electrones libres en el espacio. "Y queríamos hacer esto a microescala, "dijo Ebrahim Forati, ex investigador postdoctoral en el laboratorio de Sievenpiper y primer autor del estudio.

Sin embargo, liberar electrones de los materiales es un desafío. Requiere aplicar altos voltajes (al menos 100 voltios), láseres de alta potencia o temperaturas extremadamente altas (más de 1, 000 grados Fahrenheit), que no son prácticos en dispositivos electrónicos a micro y nanoescala.

Para abordar este desafío, El equipo de Sievenpiper fabricó un dispositivo a microescala que puede liberar electrones de un material sin requisitos tan extremos. El dispositivo consta de una superficie diseñada, llamado metasuperficie, encima de una oblea de silicio, con una capa de dióxido de silicio en el medio. La metasuperficie consiste en una serie de nanoestructuras de oro en forma de hongo en una serie de tiras de oro paralelas.

La metasuperficie dorada está diseñada de tal manera que cuando se aplican un voltaje de CC bajo (menos de 10 voltios) y un láser infrarrojo de baja potencia, la metasuperficie genera "puntos calientes", puntos con un campo eléctrico de alta intensidad, que proporcionan suficiente energía para extraer electrones del metal y liberarlos en el espacio.

Las pruebas en el dispositivo mostraron un 1, 000 por ciento de cambio en la conductividad. "Eso significa más electrones disponibles para la manipulación, "Dijo Ebrahim.

"Esto ciertamente no reemplazará a todos los dispositivos semiconductores, pero puede ser el mejor enfoque para ciertas aplicaciones especializadas, como dispositivos de muy alta frecuencia o de alta potencia, "Dijo Sievenpiper.

Según los investigadores, esta metasuperficie en particular fue diseñada como una prueba de concepto. Será necesario diseñar y optimizar diferentes metasuperficies para diferentes tipos de dispositivos microelectrónicos.

"A continuación, debemos comprender hasta qué punto se pueden escalar estos dispositivos y los límites de su rendimiento, "Sievenpiper dijo. El equipo también está explorando otras aplicaciones para esta tecnología además de la electrónica, como la fotoquímica, fotocatálisis, permitiendo nuevos tipos de dispositivos fotovoltaicos o aplicaciones medioambientales.