研究人员发现了有助于电力电子的新材料

研究人员发现了有助于电力电子的新材料

电子统治着我们的世界,但电子统治着我们的电子。

俄亥俄州立大学的一个研究小组发现了一种简化电子设备如何使用这些电子的方法,这种方法使用的材料可以在电子设备中发挥双重作用,在电子设备中历史上需要多种材料。

“我们基本上找到了一种双重人格材料,”该研究的合著者、俄亥俄州机械和航天工程教授以及俄亥俄州著名的纳米技术学者约瑟夫·赫尔曼说。“这是一个以前不存在的概念。”

他们的发现可能意味着对工程师制造各种电子设备的方式进行了改进。这包括从太阳能电池,到电视中的发光二极管,到笔记本电脑中的晶体管,再到智能手机摄像头中的光传感器。

这些装置是电的基本组成部分:每个电子都有一个负电荷,并且可以辐射或吸收能量,这取决于它是如何操作的。空穴本质上,没有电子就有正电荷。电子装置的工作原理是移动电子和空穴,它们基本上是导电的。

但从历史上看,电子器件的每个部分只能充当电子保持架或空穴保持架,而不能同时充当两者。这意味着电子设备需要多层和多种材料来执行。

但是俄亥俄州的研究人员发现了一种材料——NASN2AS2,一种既可以作为电子保持架又可以作为空穴保持架的晶体,这就有可能消除对多层膜的需求。

“这是科学中的教条,你有电子,或者你有空穴,但你没有两者。但我们的研究结果却颠倒了过来,”俄亥俄州材料科学与工程教授、该研究的合著者沃尔夫冈·温德尔说。不是电子变成了空穴,因为它是相同的粒子组合。这里,如果你从一个角度看材料,它看起来像一个电子,但是如果你从另一个角度看,它看起来像一个洞。”

这一发现可以简化我们的电子设备,或许可以创造出更高效的系统,使其运行更快,故障更少。

把它想象成一台RubeGoldberg机器,或者20世纪60年代的棋盘游戏鼠标陷阱:游戏中的棋子越多,运动部件越多,能量在整个系统中传输的效率就越低,发生故障的可能性就越大。

“现在,我们有了一个新的层状晶体系列,其中载流子在每一层中运动时表现得像电子,在层中运动时表现出空穴。…你可以想象,可能有一些独特的电子设备你可以创造,”乔舒亚戈德伯格说,化学和生物化学副教授在俄亥俄州。

研究人员将这种双能现象称为“角向性”,他们认为这种材料的功能是由于其独特的电子结构,并认为其他层状材料可能会表现出这种特性。

“我们还没有找到它们,”赫勒曼说。“但现在我们知道要搜索它们了。”

研究人员几乎是偶然发现的。赫里曼实验室的一名研究生研究员,宾贺,正在测量晶体的性质,他注意到这种材料有时表现得像一个电子保持架,有时像一个孔保持架,在那一点上,科学认为这是不可能的。他认为他可能犯了一个错误,一次又一次地进行实验,得到了同样的结果。

赫勒曼说:“正是这件事引起了他的注意,他什么也没想到。”

自那以后,他接受了德国德累斯顿马克斯普朗克研究所的博士后职位。

这项工作是由国家科学基金会、空军科研办公室和卡米尔和亨利德莱弗斯基金会资助的。

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