近日，加利福尼亞大學圣地亞哥分校（University of California San Diego）的工程師利用超材料（metamaterials）研發(fā)出世界上首個無半導體的光控微電子器件，該電子器件僅在低電壓、低功率激光的激發(fā)下，導電性能相比傳統(tǒng)增加10倍。該技術有利于制造更快、更高功率的微電子器件，并有望制造更高效的太陽能電池板。

　　該研究發(fā)表于11月4日的國際期刊《Nature Communications》。

　　無半導體電子器件。圖片來源：UCSan Diego Applied Electromagnetics Group

　　現有的傳統(tǒng)微電子器件，如晶體管等，其性能最終都會受到其構成材料性能的限制。例如，半導體本身的性質限制了器件的導電性或電子流。因為半導體有所謂的帶隙，這就意味著需要施加一定的外部能量來促使電子躍過帶隙。此外，電子速度也是有限制的，因為當電子通過半導體時，總是會與半導體內部的原子發(fā)生相互碰撞。

　　UC San Diego電氣工程學教授丹·西文皮珀（Dan Sievenpiper）帶領的應用電磁學小組（AppliedElectromagnetics Group）探索了利用空間自由電子替代半導體的方法來克服傳統(tǒng)電子器件的局限性。該研究的第一作者易卜拉辛·佛拉狄（EbrahimForati）說：“并且，我們希望在微觀上實現。“

　　然而，從材料中釋放電子的過程很有挑戰(zhàn)性。這個過程要么需要施加高電壓（至少100伏特）以及大功率紫外激光，要么需要極高的溫度（超過1000華氏溫度），這在微米和納米級的電子器件上是不切實際的。

　　無半導體微電子器件（左上）及其上的Au超穎表面（右上，下）的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。圖片來源：UC San Diego Applied Electromagnetics Group

　　為了應對這一挑戰(zhàn)，西文皮珀團隊設計了一個可以從材料中釋放電子的光電放射微型器件，并且釋放條件并沒那么苛刻。

　　該器件由硅片基底、二氧化硅隔層以及頂部一層稱為“超穎表面”（metasurface）的工程表面組成。超穎表面由平行的條狀Au（金）陣列以及其上的蘑菇狀Au納米結構陣列組成。

　　Au超穎表面的設計目的是，當同時施加直流低電壓（低于10伏特）以及低功率紅外激光時，超穎表面會產生具有高強度電場的“熱點”（hot spots），這些“熱點”的能量足以將電子從金屬中“拉”出來，從而釋放自由電子。

　　器件測試結果顯示，其導電率增強了10倍之多。易卜拉辛說：“這意味著可以操控更多的自由電子”。

　　西文皮珀說： “當然，這并不會取代所有的半導體器件，但是對于某些特定應用來說，這可能是最佳方案，比如高頻率或高功率器件等。”

　　研究者稱，目前這個特殊的Au超穎表面只是概念驗證性設計，針對不同類型的微電子器件，還需要進行不同超穎表面的設計及優(yōu)化。研究者稱，下一步還需了解這些器件的擴展性以及其性能的局限性。”

　　除了電子器件應用方面，該團隊還在探索這項技術的其他應用，例如光化學，光催化等，以期能夠實現新型光伏器件或環(huán)境應用器件。