华盛顿州立大学物理学家 Yi Gu 团队开发出一种称为“范德华氏肖特基二极管”(van der Waals Schottky diode)的新二极管,由多层复合材料组成,具有显着增强的热电性能。研究人员认为,这种新的二极管在未来或许可为智能手机或汽车等产品提供革命性的电力来源。

二极管(Diode)是一种具不对称电导的双电极电子组件,而肖特基二极管是一种导通电压降(电路中的专有名词)较低、允许高速切换的二极管,一般二极管在电流流过时,会产生约 0.7~1.7 伏特的电压降,不过肖特基二极管的电压降只有 0.15~0.45 伏特,因此可以提升系统效率。

Yi Gu 表示,和其他电子设备中的散装材料相比,新开发的“范德华氏肖特基二极管”将热量转换成电能的效率更高,已经证明是使用硅为半导体材料的 3 倍。将来,二极管的一侧可以连接发热端,比如汽车排气孔或电脑散热器,另一侧附着室温表面,然后二极管会利用两端的热差产生电流并储存到电池。虽然这种设备还在早期发展阶段,但最终将可为智能手机甚至汽车的各种功能提供额外电源。

在电子工业中,二极管因为顺向流通、逆向阻断的特点,类似控水阀门引导水流通过的原理,可以想成电子版的止水阀。目前,肖特基二极管组件的接合结构为金属(铝或铜)和半导体(以硅为材料)接面,以产生整流效果,而研究团队打破“金属-半导体”这种传统,改成用多层微观结晶“铟硒”(Indium Selenide)替代,使用简单的加热程序让铟硒的一层做金属、另一层为半导体。

实验发现,与常规的肖特基二极管不同,新设计的二极管其接合界面几乎没产生杂质或缺陷,金属和半导体间连接平滑,使电能几乎以 100% 的效率轻松流动。研究合著者 Matthew McClusky 说,一般而言,将金属连接到像硅这样的半导体材料形成肖特基二极管时,最大的缺点是逆向偏压较低且逆向漏电流偏大,接合面的缺陷会妨碍电能流动,但范德华氏肖特基二极管完美弥补了这种缺陷。

肖特基二极管主要应用在快速数字设备,如智能手机、笔记本电脑、液晶或等离子电视机内的开关式电源等,虽然这种热能设备转换无法与太阳能或风能相提并论,但或许可以在手机和汽车产品的供电来源方面异军突起。这项研究已发布在《物理化学杂志》。

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