วัสดุที่ใช้ซิลิกอนที่เปล่งแสงซึ่งมีช่องว่างของแถบตรงได้ถูกสร้างขึ้นในห้องปฏิบัติการ 50 ปีหลังจากที่คาดการณ์คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์เป็นครั้งแรก ความสำเร็จนี้ทำได้โดยทีมงานนานาชาติที่นำโดยErik Bakkersจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Eindhoven ในเนเธอร์แลนด์ พวกเขาอธิบายวัสดุนาโนใหม่ว่าเป็น “จอกศักดิ์สิทธิ์” ของไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ด้วยการทำงานเพิ่มเติม
อุปกรณ์ที่ใช้ซิลิกอนที่เปล่งแสงสามารถใช้
เพื่อสร้างส่วนประกอบต้นทุนต่ำสำหรับการสื่อสารด้วยแสง คอมพิวเตอร์ พลังงานแสงอาทิตย์ และสเปกโทรสโกปีซิลิคอนเป็นวัสดุมหัศจรรย์ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ราคาถูกและมีอยู่มากมาย และสามารถนำไปประกอบเป็นทรานซิสเตอร์ที่มีขนาดเล็กกว่าซึ่งสามารถบรรจุลงในชิปที่ความหนาแน่นเพิ่มขึ้นได้ แต่ซิลิคอนมีข้อบกพร่องร้ายแรงเมื่อนำมาใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสงหรือเซลล์แสงอาทิตย์ เซมิคอนดักเตอร์มีช่องว่างแถบอิเล็กทรอนิกส์ “ทางอ้อม”
ซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนทางอิเล็กทรอนิกส์ระหว่างเวเลนซ์ของวัสดุและแถบการนำไฟฟ้าเกี่ยวข้องกับการสั่นสะเทือนในตาข่ายคริสตัล เป็นผลให้ไม่น่าเป็นไปได้มากที่อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นในแถบการนำไฟฟ้าของซิลิกอนจะสลายตัวไปยังแถบเวเลนซ์โดยการเปล่งแสง ในทางกลับกัน การดูดกลืนแสงโดยซิลิกอนไม่ได้มีแนวโน้มที่จะกระตุ้นเวเลนซ์อิเล็กตรอนในแถบการนำไฟฟ้า ซึ่งเป็นข้อกำหนดของเซลล์แสงอาทิตย์
ในทางตรงกันข้าม ทรานซิชันอิเล็กทรอนิกส์ในเซมิคอนดักเตอร์แบบช่องว่างแบนด์โดยตรงไม่เกี่ยวข้องกับการสั่นสะเทือนของโครงตาข่าย ดังนั้นวัสดุเหล่านี้จึงปล่อยแสงจำนวนมากเมื่ออิเล็กตรอนถูกกระตุ้น และแปลงแสงเป็นไฟฟ้าได้ดีมากเข้ากันไม่ได้กับการประมวลผลซิลิกอน
ด้วยเหตุนี้ วัสดุช่องว่างแถบตรง เช่น แกลเลียม อาร์เซไนด์ จึงถูกใช้เพื่อสร้างไฟ LED เลเซอร์ และเซลล์แสงอาทิตย์ น่าเสียดายที่วัสดุเหล่านี้ยากที่จะรวมเข้ากับการประมวลผลซิลิกอน ทำให้ยากและมีราคาแพงในการสร้างอุปกรณ์ที่รวมคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์และความสามารถในการปรับขนาดของซิลิกอนเข้ากับคุณสมบัติทางแสงของวัสดุช่องว่างแถบแถบตรง โดยหลักการแล้ว อุปกรณ์ดังกล่าวอาจนำไปสู่ระบบโทรคมนาคมและระบบคอมพิวเตอร์ที่เร็วและมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งข้อมูลจะถูกส่งและประมวลผลโดยใช้แสงเพียงอย่างเดียว
50 ปีที่แล้ว นักวิจัยได้คำนวณครั้งแรกว่าโลหะ
ผสมซิลิกอน-เจอร์เมเนียมที่มีโครงสร้างผลึกหกเหลี่ยมควรมีช่องว่างแถบตรง ปัญหาคือภายใต้สภาวะแวดล้อมทั้งซิลิกอนและเจอร์เมเนียมมีโครงสร้างผลึกคล้ายเพชรในปี พ.ศ. 2558 ทีมงานของ Bakkers ได้พัฒนาวิธีการสร้างสายนาโนเจอร์เมเนียมหกเหลี่ยมและซิลิกอนเจอร์เมเนียมนาโน สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการเติบโตของสารตั้งต้น nanowire แกลเลียมอาร์เซไนด์ที่บางมาก (เส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 35 นาโนเมตร) เป็นครั้งแรก จากนั้นเจอร์เมเนียมจะถูกสะสมบนลวดนาโน
ซึ่งทำให้ความหนาเพิ่มขึ้น 10 เท่า ลวดนาโนแกลเลียม อาร์เซไนด์ มีหน้าตัดเป็นหกเหลี่ยม และด้วยเหตุนี้ เปลือกเจอร์เมเนียมโดยรอบจึงมีโครงสร้างผลึกหกเหลี่ยม ทั้งนี้เนื่องจากแกลเลียม arsenide เป็นแม่แบบโครงสร้างสำหรับการเจริญเติบโตแบบหกเหลี่ยม และอัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรที่สูงมากของเส้นนาโนช่วยให้เกิดการเติบโตแบบหกเหลี่ยมได้
เมื่อพวกเขาสร้างเปลือกเจอร์เมเนียมหกเหลี่ยมแล้ว นักวิจัยก็สามารถสะสมซิลิคอน-เจอร์เมเนียมหรือซิลิกอนเพื่อสร้างผลึกหกเหลี่ยมของวัสดุเหล่านั้นได้ Elham FadalyจากEindhoven อธิบายว่า “เราสามารถทำเช่นนี้ได้เพื่อให้อะตอมของซิลิกอนสร้างขึ้นจากแม่แบบหกเหลี่ยม และด้วยเหตุนี้จึงบังคับให้อะตอมของซิลิกอนเติบโตในโครงสร้างหกเหลี่ยม”
ข้อบกพร่องและสิ่งสกปรกอย่างไรก็ตาม
ในปี 2015 พวกเขาไม่สามารถทำให้สายนาโนเปล่งแสงได้ ซึ่งเป็นปัญหาที่ทีมงานกล่าวว่าเกี่ยวข้องกับการมีอยู่ของข้อบกพร่องและสิ่งสกปรกในโครงสร้างผลึกตอนนี้ทีม Eindhoven ได้ร่วมมือกับนักวิจัยในเยอรมนีและออสเตรียเพื่อสร้างสายนาโนคุณภาพสูงที่เปล่งแสงออกมา พวกเขาวัดการปลดปล่อยโดยการยิงเลเซอร์ที่สายนาโนเพื่อกระตุ้นอิเล็กตรอนแล้วตรวจจับแสงอินฟราเรดที่ปล่อยออกมา “การทดลองของเราแสดงให้เห็นว่าวัสดุมีโครงสร้างที่ถูกต้องและไม่มีข้อบกพร่อง มันเปล่งแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพมาก” Alain Dijkstra จาก Eindhoven กล่าว
แสงแรกสำหรับเลเซอร์เจอร์เมเนียมนักวิจัยพบว่าการลดปริมาณซิลิกอนของโลหะผสมหกเหลี่ยมจาก 35% เป็น 0 สามารถเปลี่ยนความยาวคลื่นของแสงจาก 1.5 เป็น 3.5 µm ได้ ซึ่งบางส่วนทับซ้อนความยาวคลื่นของแสงอินฟราเรดที่ใช้ในโทรคมนาคมแบบออปติคัลในปัจจุบัน
Bakkers เชื่อว่าทีมงานจะสามารถสร้างเลเซอร์โดยใช้สายนาโนได้ในไม่ช้า: “ตอนนี้เราได้ตระหนักถึงคุณสมบัติทางแสงที่เกือบจะเทียบได้กับอินเดียมฟอสไฟด์และแกลเลียมอาร์เซไนด์ และคุณภาพของวัสดุก็ดีขึ้นอย่างมาก หากทุกอย่างดำเนินไปอย่างราบรื่น เราก็สามารถสร้างเลเซอร์ที่ใช้ซิลิกอนได้ในปี 2020”
เช่นเดียวกับออปติคัลเทเลคอมและออปติคัลคอมพิวติ้ง วัสดุที่ใช้ซิลิกอนชนิดใหม่นี้สามารถนำมาใช้เพื่อสร้างเซ็นเซอร์เคมีราคาประหยัดที่ใช้อินฟราเรดสเปกโทรสโกปี“ความยากลำบากในการใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่คือมีความไม่ตรงกันระหว่างสถาปัตยกรรมสามมิติของสมองกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สองมิติส่วนใหญ่ เราพยายามเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้ด้วยการใช้ชิปซิลิคอนเชิงพาณิชย์ เช่น ชิปที่ใช้ในกล้องความเร็วสูงและไมโครดิสเพลย์ และรวมเข้ากับอาร์เรย์ของสายไมโครสโคป” Obaid กล่าว
“เนื่องจากชิปเหล่านี้มีลักษณะแบนราบโดยเนื้อแท้ เราจึงรวมพวกมันเข้ากับอาร์เรย์ที่ปรับแต่งได้ง่ายของสายไมโครสโคป ซึ่งมีระยะห่างอย่างแม่นยำเพื่อให้มีการบุกรุกน้อยที่สุด” เขากล่าวเสริม “วิธีการนี้ยกระดับเทคโนโลยีซิลิกอนที่สามารถปรับขนาดได้ แต่เป็นแบบสองมิติไปสู่มิติที่สามของสมอง ทำให้เราสามารถบันทึก ‘ภาพยนตร์อิเล็กทรอนิกส์’ ของกิจกรรมทางประสาทในบริเวณสมองขนาดใหญ่ได้
Credit : superettedebever.net superkitcar.net tagheuerwatch.net themefactory.org torviscas.com
