La mayoría de los dispositivos electrónicos contienen actualmente chips basados en silicio. Otros materiales semiconductores muestran potencial, pero necesitan más investigación para ser comercialmente viables. Los investigadores de KAUST han analizado a fondo uno de esos materiales, los nanocables de nitruro metálico, acercándolos un paso más a ser útiles.
Cuando los semiconductores de nitruro metálico se organizan en cables de tamaño nanométrico, se vuelven más sensibles a la luz, posibilidades de apertura para la electrónica óptica. Sin embargo, un desafío notable es que, aunque los nanocables de nitruro metálico funcionan bien a bajas temperaturas, Los efectos térmicos pueden afectar en gran medida su rendimiento a temperatura ambiente. Para abordar este problema, Nasir Alfaraj con su Ph.D. el supervisor Xiaohang Li y sus compañeros de trabajo en KAUST han producido el estudio más detallado hasta ahora de estos efectos térmicos.
Los investigadores prepararon nanocables basados en nitruro de galio (GaN) en una estructura p-i-n, un sándwich con capas de las denominadas versiones de tipo p y tipo n del semiconductor que rodea una capa inalterada. Los semiconductores de tipo N están dopados con materiales que proporcionan electrones adicionales, mientras que los tipos p están dopados con materiales con menos electrones, dejando "agujeros" en la estructura cristalina. Tanto los electrones como los huecos actúan como portadores de carga, dando a los dispositivos semiconductores sus útiles propiedades electrónicas.
"Los nanocables p-i-n basados en GaN son adecuados para fabricar atenuadores de señal, interruptores digitales de alta frecuencia y fotodetectores de alto rendimiento, "dijo Alfaraj." Sin embargo, su rendimiento se ve afectado negativamente cuando los electrones y los huecos se recombinan, especialmente cerca de la temperatura ambiente ".
Más específicamente, cuando un campo eléctrico actúa a través de un nanoalambre, el equilibrio de electrones y huecos puede verse afectado, bombear calor lejos del dispositivo en forma de radiación térmica. Los dispositivos actúan efectivamente como mini refrigeradores, y su rendimiento disminuye a medida que se enfrían.
Para cuantificar este efecto, Alfaraj y sus colaboradores dirigieron un láser de titanio y zafiro sobre sus nanocables y midieron las emisiones fotoluminiscentes que salieron de la muestra. Luego pudieron calcular la "entropía fotoinducida" del sistema:una cantidad termodinámica que representa la indisponibilidad de la energía de un sistema para la conversión en trabajo debido a la refrigeración por luminiscencia.
A temperaturas del sistema superiores a 250 K, los procesos de recombinación no radiativa de huecos de electrones se vuelven dominantes:los electrones caen en huecos, provocando un aumento de la entropía fotoinducida y reduciendo el rendimiento del dispositivo.
"Planeamos investigar la entropía fotoinducida en otros materiales, como nanoalambres de aluminio-galio-nitruro y óxido de zinc, ", dijo Alfaraj." También compararemos diferentes diámetros de nanocables e investigaremos otras estructuras, como películas delgadas ".
Estos estudios ayudarán a los ingenieros a fabricar dispositivos de nanocables de nitruro metálico que sean térmicamente estables y adecuados para el uso diario.