6月30日消息，據(jù)外媒報道，瑞士蘇黎世理工ETH的研究人員提供了有關(guān)在納米晶體制成的半導(dǎo)體中如何傳導(dǎo)電流的第一個理論解釋，將來，這可能會導(dǎo)致開發(fā)用于電視屏幕的新傳感器、激光器或LED。

納米晶體半導(dǎo)體中緊密堆積的晶體：ETH研究人員開發(fā)的模型描述了每個單個原子。

　　幾年前，研究人員介紹了采用QLED技術(shù)的電視屏幕，可產(chǎn)生鮮艷的色彩，這里的“ Q”代表“量子點”。量子點是僅幾納米大小的半導(dǎo)體材料的晶體，由幾千個原子組成。這些納米晶體是如此之小，以至于其中的電子只能具有某些明確定義的量子機械能級。結(jié)果，當量子點被電視的背光照明時，特定顏色的光通過在這些能級之間的量子跳變而發(fā)射。

　　在下一代QLED電視中，希望是使用電能使量子點自行發(fā)光，而不需要背光。但是，到目前為止，還缺乏對電流如何流過納米晶體薄膜的理論理解。由Vanessa Wood領(lǐng)導(dǎo)的蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院信息技術(shù)和電氣工程系的一組研究人員現(xiàn)已縮小了這一差距，正如他們在科學(xué)期刊《自然通訊》上的報道一樣。

彈簧床墊vs臺式

　　電流在非納米尺寸的半導(dǎo)體中如何運動的理論已有90多年的歷史了，并且存在用于模擬其行為的軟件工具。工業(yè)界可以通過故意添加雜質(zhì)原子（摻雜）來控制半導(dǎo)體的電子特性，這會改變自由電荷載流子（電子）的數(shù)量。相反，用這些方法不能處理由許多小的納米晶體量子點組成的半導(dǎo)體。

　　在納米晶體中，添加雜質(zhì)原子并不一定會導(dǎo)致自由電荷載流子。此外，免費收費的行為也不盡相同。伍德指出：“普通半導(dǎo)體中的電荷載體的運動就像在光滑的桌面上滾動的保齡球一樣，而在納米晶體材料中，它們的作用就像在柔軟的床墊上的保齡球一樣，使它們陷入并變形。”

　　在納米晶體半導(dǎo)體中，電流通過從納米晶體跳到納米晶體的電子傳輸。每一跳，電子的電荷使納米晶體變形（左上），形成極化子（右上）。來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

　　對于理論建模，這意味著不能簡單地將納米晶體半導(dǎo)體晶格中的原子視為固定點，這通常是普通半導(dǎo)體所要做的。“相反，我們必須用數(shù)學(xué)方法描述材料的許多納米晶體中數(shù)十萬個原子中的每個原子，以及每個原子如何與電荷載流子相互作用，”伍德研究小組的Nuri Yazdani解釋說。

　　Yazdani使用位于盧加諾的瑞士超級計算中心CSCS，運行了一個復(fù)雜的代碼，其中考慮了問題的所有細節(jié)，包括電子和原子的運動以及它們之間的相互作用。Yazdani說：“特別是，我們想了解電荷載流子如何在單個納米晶體之間移動，以及為什么它們被'捕獲'并且不能繼續(xù)下去。”

　　這些計算機模擬的結(jié)果極具啟發(fā)性。事實證明，由許多納米晶體組成的材料如何傳導(dǎo)電流的決定性因素是晶體的微小變形（僅幾千分之一納米），導(dǎo)致靜電能發(fā)生巨大變化。當電荷使周圍的材料變形時，這稱為極化子，Yazdani的模擬顯示電流流過從一個納米晶體跳到另一個納米晶體的極化子。

一個模型可以說明所有問題

　　該模型解釋了如何通過改變納米晶體的尺寸以及如何將其堆積在薄膜中來改變基于納米晶體的半導(dǎo)體的電子性能。為了測試其模擬的預(yù)測，該團隊在實驗室生產(chǎn)了納米晶體薄膜，并測量了不同施加電壓和溫度下的電響應(yīng)。在那些實驗中，他們使用短激光脈沖在材料的一端產(chǎn)生自由電子，然后觀察它們到達另一端的時間。結(jié)果：對于數(shù)百種不同的測試中的每一種，計算機仿真都能完美地預(yù)測電性能。

　　伍德說：“經(jīng)過八年的艱苦努力，我們現(xiàn)在創(chuàng)建了一個模型，該模型最終可以定量地解釋我們的實驗，而且還可以定量解釋許多其他研究小組的實驗。這種模式將使研究人員和工程師在未來計算的納米晶體的特性半導(dǎo)體也生產(chǎn)甚至之前。 這應(yīng)該使得有可能針對特定應(yīng)用優(yōu)化此類材料。到目前為止，這必須通過反復(fù)試驗來完成。”

　　利用ETH研究人員的結(jié)果，將來可以用納米晶材料開發(fā)有用的半導(dǎo)體，用于傳感器、激光器或LED的各種應(yīng)用，以及電視屏幕。由于可以在生產(chǎn)過程中控制納米晶體的組成、尺寸和排列，因此與傳統(tǒng)半導(dǎo)體相比，此類材料具有更廣泛的電氣特性。