Исследователи разработали метод, который позволяет изменить цвет света, который излучает полупроводник, при изменении температуры всего на один градус. Методика обладает потенциальными возможностями для создания устройств, производящих электричество из тепловой энергии путем изменения симметрии материала.

Методика, в которой используется тонкопленочный полупроводниковый слой поверх термочувствительной подложки, открывает путь для изменения свойств полупроводниковых материалов электронными воздействиями.

«Мы можем изменить цвет света, излучаемый материалом, при небольшом изменении температуры подложки,» – сказал Цзянь Ши, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Rensselaer Polytechnic Institute. – «Если вы можете манипулировать свойствами материала через изменение температуры, то потенциально вы также можете манипулировать и напряжением и создать электронное устройство. Теперь вы можете контролировать длину волны излучения электронным способом.»

Исследование подробно описано в статье «Nonlinear Electron-Lattice Interactions in a Wurtzite Semiconductor Enabled via Strongly Correlated Oxide», опубликованной в недавнем выпуске Advanced Materials.

По сути, есть три основных варианта для изменения свойств материала: изменение состава, изменение температуры или изменение давления на материал. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. При этом материал, пригодный для коммерческого использования, должен быть экономичным и обладать необходимыми свойствами для конкретного применения.

В этом исследовании ученые сосредоточились на использовании давления для изменения электронной решетки кадмия сульфита, чтобы тем самым изменить его свойства. Использование давления имеет свои недостатки:

• это требует много энергии для того, чтобы изменить электрон-решеточное взаимодействие материала;
• генерирование этой энергии может потребовать использования громоздкого устройства, которое сделает материал недоступным для практических приложений;
• многие материалы имеют недостаточную стойкость к деформации и фактически разрушаются, прежде чем они могут быть деформированы достаточно для приобретения ими новых свойств. Например, объемный кадмий сульфит разрушается при 0.1 % деформации, что не достаточно для изменения электрон-решеточного взаимодействия, и, следовательно, свойств материала.

Для преодоления этих ловушек, описываемый подход использует тонкую пленку полупроводника, который может выдержать бОльшую деформацию, чем объемный материал, нанесенную на материал подложки, который значительно деформируется при незначительном изменении температуры. Тонкая пленка сульфита кадмия, которая может выдержать хотя бы 1% деформации без разрушения, имеет 10-кратное преимущество по сравнению с объемным материалом. Материал подложки, ванадий диоксид, претерпевает фазовое превращение из металла в изолятор при 6–8 градусах по Цельсию, изменяя свой объем и давление на тонкую полупроводниковую пленку, нанесенную на его поверхность.

Объединив надежную тонкую полупроводниковую пленку с чувствительной к температуре подложкой, ученые получили возможность легко подвергать полупроводник большому механическому напряжению.

Метод может быть распространен на различные тонкопленочные полупроводники и подложки, которые претерпевают фазовый переход при изменении давления, а также температуры или электрического воздействия.

Важно отметить, что результаты демонстрируют потенциальную возможность получения электричества из тепловой энергии путем изменения симметрии материала.