«Мы можем изменить цвет света, излучаемого материалом, лишь с небольшим изменением температуры подложки», – сказал Цзянь Ши, доцент кафедры материаловедения и инженерии Политехнического института Ренсселера. «Если вы можете манипулировать материалом с помощью температуры, вы также потенциально можете манипулировать им с помощью напряжения и создать электронное устройство, и это важно. Теперь вы можете управлять длиной волны излучения электронным способом."
Исследование подробно описано в статье «Нелинейные электронно-решеточные взаимодействия в полупроводнике из вюрцита с помощью сильно коррелированного оксида», опубликованной в недавнем выпуске Advanced Materials.
Материаловеды, такие как Ши, разрабатывают материалы со свойствами, которые могут позволить использовать новые технологии или лучше соответствовать существующим технологиям.
По сути, есть три основных варианта изменения свойств материала: изменение состава, изменение температуры или изменение давления на материал. У каждого есть свои преимущества и недостатки, и материал, подходящий для коммерческого применения, должен быть экономичным и проявлять необходимые свойства в относительно обычных условиях.
В этом исследовании Ши сосредоточился на использовании давления для изменения состава электронной решетки или симметрии сульфита кадмия и изменения его свойств.
Использование объемного давления имеет потенциальные подводные камни: требуется много энергии, чтобы изменить электронно-решеточное взаимодействие материала посредством давления; генерирование этой энергии может потребовать использования громоздкого устройства, которое делает материал недоступным для приложений; и многие материалы плохо переносят деформацию и фактически разрушаются, прежде чем они смогут деформироваться настолько, чтобы вызвать новые свойства. Например, сульфит кадмия в массе расколется при .1 процент деформации, которой недостаточно, чтобы изменить его электронно-решеточное взаимодействие и, следовательно, свойства материала.
Чтобы преодолеть эти ловушки, в подходе Ши используется тонкая пленка полупроводника, которая может выдерживать большую деформацию, чем объемный материал, нанесенная на материал подложки, который существенно деформируется при незначительном изменении температуры.
Тонкая пленка сульфита кадмия может выдерживать деформацию не менее одного процента без разрушения, что является 10-кратным преимуществом по сравнению с сыпучим материалом. Материал подложки, диоксид ванадия, претерпевает фазовое превращение из металла в изолятор между 6 и 8 градусами Цельсия, изменяя объем материала и оказывая давление на тонкопленочный полупроводник, нанесенный на его поверхность.
Комбинируя прочный тонкопленочный полупроводник с чувствительной к температуре подложкой, Ши может легко подвергать полупроводник большим напряжениям.
Метод может быть распространен на множество тонкопленочных полупроводников и на подложки, которые претерпевают фазовый переход от давления, температуры или электростатического легирования.
Примечательно, что результаты также намекают на возможность получения напряжения из тепловой энергии, что может привести к сбору тепловой энергии.
«Если вы измените постоянную решетки и симметрию материала, иногда вы можете генерировать энергию, как всплеск тока», – сказал Ши. "Если мы сможем превратить тепловую энергию в электрическую, изменив симметрию материала, мы сможем собирать тепловую энергию."