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.