Физики Университета Ратгерса (Rutgers University) открыли необычное поведение и электронные свойства в материале, который имеет перспективы применения в фотоэлементах с существенным увеличением их кпд, а также в компьютерных чипах с гибкой архитектурой. Ученые обнаружили, что кристаллы, выращенные из висмута, в состав которых входят также железо и кислород, демонстрируют удивительные электронные трюки, не свойственные обычным полупроводниковым материалам.

Такие кристаллы ведут себя как реверсивные диоды – т.е. электронные элементы, которые пропускают ток только в одном направлении, но меняют его на противоположное при определенных условиях. Традиционные полупроводниковые диоды нереверсивны, поскольку направление пропускания тока фиксируется в процессе изготовления.

Исследовательской группой руководил профессор физики Санг-Вуук Чеонг (Sang-Wook Cheong). Результаты работы опубликованы в приложении к журналу Science  – интернет журнале Science Express (T. Choi, S. Lee, Y. J. Choi, V. Kiryukhin, S.-W. Cheong. Switchable Ferroelectric Diode and Photovoltaic effect in BiFeO3, – Published Online February 19, 2009; Science DOI: 10.1126/science.1168636).

Ученые также открыли, что диоды, изготовленные из такого необычного материала, к тому же генерируют ток при их освещении, что делает их потенциальными кандидатами на применение в солнечных фотоэлементах. Материал имеет весьма высокую световую чувствительность, особенно в синей области спектра, что опять-таки может оказаться важным для повышения эффективности солнечных фотоэлементов.

Кристаллы, исследованные группой проф. Чеонга, являются ферроэлектрическим материалом. Это означает, что кристаллы демонстрируют электрическую поляризацию, которая, по мнению авторов, и контролирует способность кристаллов работать как диоды. Эта характеристика свойственна самому кристаллу в целом и известна, как «bulk effect». В противоположность этому, традиционные полупроводниковые диоды используют электрические эффект, проявляющиеся на границе двух материалов.

Исследованный материал принадлежит к классу кристаллических материалов, известных как перовскиты, у которых имеется два положительных иона очень отличающихся атомных размеров (в данном случае, висмут и железо), связанных с отрицательными ионами (здесь – кислород). Кристалл имеет три атома кислорода на каждый атом висмута и железа.

При приложении внешнего электрического напряжения к ферроэлектрическому кристаллу, поляризация материала меняется на противоположную, при этом изменяется на противоположное и направление тока, который пропускает этот диод. Такие свойства могут оказаться полезными в проектировании более гибкой архитектуры компьютерных микросхем- элемент выполняет определенную функцию в одной конфигурации и выполняет другую задачу, когда эта конфигурация изменяется.

Исследования финансировались Национальным Фондом научных исследований (National Science Foundation) США. Работа одного из соавторов, докторанта Taekjib Choi, была отчасти поддержана грантом Фонда Исследований Кореи (Korea Research Foundation).

Евгений Биргер