Дослідники з Мічиганського університету виявили унікальний механізм, що пояснює стабільність фероелектричних напівпровідників та їхню здатність підвищувати провідність у 100 разів, відкриваючи шлях до революційних змін в електроніці.

Розгадка фізичного парадоксу

Вчені тривалий час не могли пояснити, як вюрцитні сегнетоелектричні нітриди здатні підтримувати протилежні електричні поляризації без руйнування структури. Мі Цзетянь, співавтор дослідження, зазначив: “Базовий механізм сегнетоелектричного перемикання і компенсації заряду залишався незрозумілим… Як стабілізується цей матеріал? Це було здебільшого невідомо”.

За допомогою передової електронної мікроскопії та квантових розрахунків дослідники встановили, що при зіткненні протилежних електричних поляризацій всередині матеріалу відбувається короткочасне порушення кристалічної структури. Цей процес створює обірвані атомні зв’язки, які, всупереч очікуванням, не послаблюють, а зміцнюють структуру, забезпечуючи необхідний баланс заряду.

Принцип “електронної автомагістралі”

Особливість виявленого механізму полягає у тому, що обірвані зв’язки не лише стабілізують матеріал, але й створюють своєрідну “автомагістраль” для електрики. На цій “магістралі” концентрація носіїв заряду приблизно у 100 разів вища, ніж у стандартних транзисторах на основі нітриду галію.

Еммануїл Кіупакіс, один з авторів дослідження, пояснює: “Це простий і елегантний результат… Примітно те, що це скасування заряду – не просто удача, а прямий наслідок геометрії тетраедрів”. Таким чином, виявлений механізм має універсальний характер для усіх тетраедричних сегнетоелектриків.

Перспективи застосування

Ця “автомагістраль” електронів має надзвичайну гнучкість в керуванні – її можна вмикати і вимикати, переміщувати всередині матеріалу та регулювати провідність шляхом зміни характеристик електричного поля.

Вюрцитні сегнетоелектричні нітриди відкривають широкі перспективи для розвитку:

• Енергоефективних комп’ютерів
• Запам’ятовуючих пристроїв нового покоління
• Радіочастотної електроніки
• Акустоелектроніки
• Мікроелектромеханічних систем
• Квантової фотоніки
• Надточних датчиків
• Технологій перетворення сигналів між електричними, оптичними та акустичними формами

Дослідники відзначають особливий потенціал використання цього матеріалу в польових транзисторах для потужної та високочастотної електроніки, що може стати основою для створення електронних пристроїв наступного покоління.