A maioria dos dispositivos eletrônicos atualmente contém chips baseados em silício. Outros materiais semicondutores mostram potencial, mas precisa de mais pesquisas para se tornar comercialmente viável. Os pesquisadores da KAUST analisaram exaustivamente um desses materiais - nanofios de nitreto de metal - trazendo-os um passo mais perto de serem úteis.

Quando os semicondutores de nitreto de metal são organizados em fios de tamanho nanométrico, eles se tornam extremamente sensíveis à luz, possibilidades de abertura para a eletrônica óptica. Um desafio notável, no entanto, é que, embora os nanofios de nitreto de metal tenham um bom desempenho em baixas temperaturas, os efeitos térmicos podem afetar muito seu desempenho à temperatura ambiente. Para resolver este problema, Nasir Alfaraj com seu Ph.D. o supervisor Xiaohang Li e os colegas de trabalho da KAUST produziram o estudo mais detalhado já feito sobre esses efeitos térmicos.

Os pesquisadores prepararam nanofios à base de nitreto de gálio (GaN) em uma estrutura p-i-n - um sanduíche com camadas das chamadas versões tipo p e tipo n do semicondutor em torno de uma camada inalterada. Semicondutores do tipo N são dopados com materiais que fornecem elétrons extras, enquanto os tipos p são dopados com materiais com menos elétrons, deixando "buracos" na estrutura do cristal. Tanto os elétrons quanto os buracos atuam como portadores de carga, dando aos dispositivos semicondutores suas propriedades eletrônicas úteis.

"Nanofios p-i-n baseados em GaN são adequados para a fabricação de atenuadores de sinal, interruptores digitais de alta frequência e fotodetectores de alto desempenho, "disse Alfaraj." Ainda, seu desempenho é afetado negativamente quando elétrons e lacunas se recombinam, especialmente perto da temperatura ambiente. "

Mais especificamente, quando um campo elétrico atua através de um nanofio, o equilíbrio de elétrons e lacunas pode ser afetado, bombear calor para longe do dispositivo na forma de radiação térmica. Os dispositivos atuam efetivamente como minigeladeiras, e seu desempenho diminui à medida que eles esfriam.

Para quantificar esse efeito, Alfaraj e colegas direcionaram um laser de safira de titânio em seus nanofios e mediram as emissões fotoluminescentes que saíram da amostra. Eles foram então capazes de calcular a "entropia fotoinduzida" do sistema:uma quantidade termodinâmica que representa a indisponibilidade de energia de um sistema para conversão em trabalho devido à refrigeração por luminescência.

Em temperaturas do sistema acima de 250 K, os processos de recombinação não radiativa do elétron-buraco tornam-se dominantes - os elétrons caem nos buracos, causando um aumento na entropia fotoinduzida e reduzindo o desempenho do dispositivo.

"Pretendemos investigar a entropia fotoinduzida em outros materiais, tais como nanofios de nitreto de alumínio-gálio e óxido de zinco, "disse Alfaraj." Também vamos comparar diferentes diâmetros de nanofios e investigar outras estruturas, como filmes finos. "

Esses estudos auxiliarão os engenheiros na fabricação de dispositivos de nanofios de nitreto de metal que são termicamente estáveis ​​e adequados para o uso diário.