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负负得正?两个绝缘体合成一个超导体

时间:2016-08-08 作者:R. Colin Johnson 阅读:
美国研究人员发现,两个绝缘体接口可以变成超高电子密度的导体…

负负相乘得正,同样两个绝缘体接口,也可以变成超高电子密度的导体──美国犹他大学(University of Utah)以及明尼苏达大学(University of Minnesota)的研究人员发现,该接口乘载的电子气体(electron gas),在电子密度上优于石墨烯(graphene)以及氮化镓(gallium nitride)。MXzEETC-电子工程专辑

上述超导体可实现较小型、发热较低以及功耗较低的晶体管,免除充电变压器的需求;还有太赫兹(terahertz)调变器。不过,并非任何一种绝缘体都会达成相同的效果,犹他大学教授Berardi Sensale-Rodriguez以及明尼苏达大学教授Bharat Jalan所采用的复合氧化物,是在商用LaSr基板上生长的钛酸锶(stronTIum titanate,SrTiO)与之上的钛酸钕(neodymium titanate,NdTiO),即下图的NTO/STO。
20160805 conductor NT02P1
*在穿透式电子显微镜(TEM)下的钛酸钕(NdTiO3)、钛酸锶(SrTiO3)绝缘体,以及下方的La0.3Sr0.7基板(NTO/STO/LSAT)
(来源:Applied Physics)*MXzEETC-电子工程专辑

除了以上的配方,其他研究团队也在进行相关研究,以各种其他复合氧化物来展现类似的电子气体现象。Sensate-Rodriguez接受EE Times访问时表示,复合氧化物实际上是许多研究团队关注的题目,举例来说,在美国加州大学圣塔芭芭拉(University of California Santa Barbara)分校就有经验丰富的研究团队,还有康奈尔大学(Cornell)以及日本的团队。MXzEETC-电子工程专辑

不过Sensate-Rodriguez强调,没有其他团队达成像他与明尼苏达大学教授Bharat Jalan所展现的如此高电子密度;他们的合作始于Jalan先前对高电子密度材料的研究发现,于是Sensate-Rodriguez提议利用Jalan的方法,以石墨烯样本进行评估(太赫兹光谱学),以判定其精确的电子密度并尝试解密其机制。MXzEETC-电子工程专辑

“根据我先前对石墨烯的研究经验,我预期会看到比利用DC量测所提取的更大传导性,因为太赫兹光谱学能更接近期内在特性,也就是材料的基础限制;”Sensate-Rodriguez表示,最后他们发现,在氧化物接口产生的2D电子气体之传导性,不但媲美石墨烯与氮化镓,更有趣的是,氮化镓与那些氧化物都能受益于大型击穿电场(breakdown field),因此很适合应用于电力电子。MXzEETC-电子工程专辑

此外两位教授还推论,复合氧化物接口产生超高电子密度的机制与氮化镓并不相同;Sensate-Rodriguez表示,氮化镓的高传导性是材料内高迁移率的产物,但是在NTO/STO内的高电子密度,则是两种不差的迁移率结合之结果:“这是两种产生类似结果、基本上却完全不同的机制,因为材料的传导性取决于电荷密度以及电荷的迁移率。”
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*复合氧化物材料特性,详情请参考:http://research.cems.umn.edu/jalan/Jalan_research_group/Home.html
(来源:University of Minnesota)*MXzEETC-电子工程专辑

Sensate-Rodriguez与Jalan对NTO/STO材料如此乐观看待的原因,来自于这种全新发现的材料架构在还没有优化的情况下,导电性能就已经媲美氮化镓甚至石墨烯,若进一步优化,其导电性能也可望大幅提升:“还有很多优化步骤可以做,特别是在材料的生长上;目前高质量样本的纳米与微米等级导电性,与在氮化镓或石墨烯材料上看到的都差不多。”MXzEETC-电子工程专辑

研究人员也看好这种新材料能超越传统氮化镓的应用领域,可望实现例如电动车或是迷你化电源供应器适用的更小尺寸、电流消耗更小、发热温度更低的电力电子;此外NTO/STO材料在太赫兹范围的成功调变,也可望让例如机场安检扫描机尺寸大缩水,或是在敏感度上大幅提升。Sensate-Rodriguez指出:“在应用上,我认为有两个方向,一是电力电子、一是太赫兹装置例如调变器;但目前一个重要的研究方向,是如何有效调节电荷以实现主动组件。”
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*犹他大学教授Berardi Sensale-Rodriguez
(来源:University of Utah)*MXzEETC-电子工程专辑

编译:Judith ChengMXzEETC-电子工程专辑

本文授权编译自EE Times,版权所有,谢绝转载MXzEETC-电子工程专辑

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R. Colin Johnson
EETimes前瞻技术编辑。R. Colin Johnson自1986年以来一直担任EE Times的技术编辑,负责下一代电子技术。 他是《Cognizers – Neural Networks and Machines that Think》一书的作者,是SlashDot.Org的综合编辑,并且是他还因对先进技术和国际问题的报道,获得了“Kyoto Prize Journalism Fellow”的荣誉。
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