Диоды пропускают направленные потоки тока. Без них современная электроника была бы немыслима. До сих пор их приходилось делать из двух материалов с разными характеристиками. Исследовательская группа Мюнхенского технического университета (TUM) обнаружила материал, позволяющий создавать диоды простым изменением температуры.
Производство диода обычно включает в себя объединение двух полупроводниковых материалов с разными свойствами. В большинстве случаев это модифицированные формы кремния, в которые добавляются различные элементы для придания желаемых характеристик. Этот процесс известен как легирование.
Легирование фосфором, мышьяком или сурьмой, которое добавляет к материалу свободные электроны , называется легированием n-типа. N относится к отрицательно заряженным электронам. Бор, алюминий и галлий, напротив, связывают электроны кремния, в результате чего образуются положительно заряженные дырки. Материал p-легирован. Сочетание двух материалов дает диод, который позволяет току течь только в одном направлении.
Температура изменяет характеристики материала
«Теперь мы нашли материал, который мы можем сделать n-проводящим или p-проводящим, просто изменив температуру», — говорит Том Нилджес, профессор синтеза и характеристик инновационных материалов в ТУМ. Исследователи смогли показать, что достаточно изменить температуру всего на несколько градусов, чтобы вызвать этот эффект, и что работающий диод может быть создан с температурным градиентом внутри материала.
«Когда материал находится при комнатной температуре , у нас есть совершенно нормальный p-проводник. Если затем применить температурный градиент, мы можем одновременно создать n-проводник в нагретых областях», — объясняет профессор Нильджес. Важный аспект для приложений: эффект работает в диапазоне комнатной температуры. «Для создания диода достаточно локального повышения температуры всего на несколько градусов — в нашем случае с 22 до 35°C».
Для Нильгеса устранение необходимости в легировании — не единственное преимущество: «Каждый производимый диод всегда на месте. С нашим материалом дело обстоит иначе: с температурным градиентом диод также исчезает. Если он снова понадобится , достаточно создать градиент температуры . Если мы подумаем о диапазоне применений диодов , например, в солнечных элементах или в любых электронных компонентах, потенциал этого изобретения становится очевидным».
Сложный состав
Поиски идеального материала заняли 12 лет работы, кульминацией которой стало открытие группой халькогенид-галогенида металла для чеканки монет Ag 18 Cu 3 Te 11 C l3 . Он состоит из элементов серебра, меди, теллура и хлора. Исследователи столкнулись с этим классом соединений при изучении термоэлектрических материалов, которые генерируют электричество из тепла. Один материал, который они исследовали, демонстрировал эффект переключения p-n. Однако это наблюдалось только в диапазоне температур около 100°С, что непригодно для практических применений.
После тщательного анализа и экспериментов исследователи обнаружили в Ag 18 Cu 3 Te 11 C l3 материал, который демонстрирует желаемый эффект, а также подходит для применения при нормальных температурах. «Другие исследовательские группы также обнаружили этот эффект переключения в различных материалах , но до сих пор никому не удалось преобразовать его в конкретное приложение», — объясняет Нильджес.
