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你家电线的形状,会不会影响电流中的电子?答案又让人出乎意料了

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北卡罗来纳大学教堂山分校的科学家为电子开辟了一条单行道,这些电子可能会释放设备处理超高速无线数据的能力,同时为电力收集能量。研究人员通过在微观尺度上塑造硅,为电子创造一个漏斗或“棘轮”,从而做到了这一点。这种方法通过去除容易降低设备速度的接口,克服了现有技术的速度限制。北卡罗来纳大学教堂山艺术与科学学院的博士生小詹姆斯·卡斯特说:

Mom操盘这项研究工作令人兴奋,因为它可以让像低功耗智能手表这样的东西,在未来可以从它们已经接收到的数据中无线充电,而不需要离开人的手腕。其研究成果发表在《科学》期刊上,卡斯特是主要作者,他与杜克大学和范德比尔特大学的合作者一起参与研究工作。电子携带电流,它们通常不受电流流经的导线形状的影响,然而,当变得非常小的时候,形状就开始变得很重要了。

这里的漏斗非常小,比普通电线小一百多万倍。结果,里面的电子表现得就像台球一样,从表面自由反弹。然后,不对称的漏斗形状会使电子优先在一个方向上反弹。实际上,电子被迫沿着单行道行驶。在直流(DC)电压下,漏斗使电流更容易正向流动,而不是反向流动,从而形成了一个电二极管。当施加交流电(AC)时,该结构仍然只允许电流向一个方向流动,表现为棘轮的行为,并导致电子在一侧积聚,没人会想到导线的形状也会影响电子电流,再一次颠覆了常识!

这个过程就像套筒扳手,棘轮力只在一个方向上产生物理运动。这项研究工作表明,这些电子棘轮创造了在室温下工作的“几何二极管”,并可能在太赫兹区域解锁前所未有的能力。化学副教授詹姆斯·卡洪(James Cahoon)说:电二极管是电子学的基本组成部分,研究结果表明,对于工作在非常高频率的二极管,可能会有完全不同的设计范式。结果是可能的,因为自下而上地生长这些结构,使用一种合成过程,产生几何上精确的单晶材料。

Mom操盘电子棘轮是由先前在Cahoon小组开发的一种名为Engrave的工艺创造出来,该工艺代表“通过VLS和蚀刻实现编码的纳米线生长和外观”。Engrave使用气-液-固工艺来化学生长硅单晶圆柱体,称为纳米线,具有精确定义的几何形状。这一领域的很多工作之前都是在低温下用昂贵材料完成,但新研究突出表明,用相对便宜的硅制成几何二极管可以在室温下工作,这甚至让研究人员一开始感到惊讶,其研究结果能激起人们对几何二极管的兴趣。

二极管是所有技术的主干;它们允许计算机通过将信号编码为1和0来处理数据。传统上,二极管需要材料之间的接口,例如n型和p型半导体之间或半导体和金属之间的接口。相比之下,几何二极管是由单一材料制成的,只需使用形状优先将电荷定向到一个方向。随着不断的发展,纳米线电子棘轮有望为新技术铺平一条高速、单向的道路。

博科园|研究/来自:北卡罗来纳大学教堂山分校

参考期刊《科学》

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