Изготовление диода обычно включает в себя объединение двух полупроводниковых материалов с различными свойствами. В большинстве случаев это модифицированные формы кремния, к которым добавляются различные элементы для создания желаемых характеристик. Этот процесс известен как допинг.

Легирование фосфором, мышьяком или сурьмой, которое добавляет свободные электроны к материалу, называется легированием n-типа. n относится к отрицательно заряженным электронам. Бор, алюминий и галлий, напротив, связывают электроны из кремния, в результате чего образуются положительно заряженные дырки. Материал имеет p-легирование. Комбинируя два материала, получается диод, который позволяет току течь только в одном направлении.

Температура изменяет характеристики материала

"Теперь мы нашли материал, который мы можем сделать n-проводящим или p-проводящим, просто изменив температуру", - говорит Том Нильджес, профессор синтеза и характеристики инновационных материалов в TUM. Исследователи смогли показать, что изменения температуры всего на несколько градусов достаточно, чтобы вызвать этот эффект, и что функционирующий диод может быть создан с градиентом температуры внутри материала.

"Когда материал находится при комнатной температуре, мы имеем совершенно нормальный p-проводник. Если мы затем применим температурный градиент, мы сможем одновременно генерировать n-проводник в нагретых областях", - объясняет профессор. Нильгес. Важный аспект для применения: эффект действует в диапазоне комнатных температур. "Для создания диода достаточно локального повышения температуры всего на несколько градусов - в нашем случае с 22 до 35°C."

Для Nilges устранение необходимости в легировании - не единственное преимущество: "Каждый производимый диод всегда на месте. С нашим материалом это не так: с градиентом температуры диод также исчезает. Если это понадобится снова, достаточно создать температурный градиент. Если мы подумаем о диапазоне применений диодов, например, в солнечных элементах или в любом виде электронных компонентов, потенциал этого изобретения становится очевидным".

Сложный состав

Поиск идеального материала потребовал 12 лет работы, кульминацией которой стало открытие командой халькогенида металла для чеканки halide Ag₁₈С₃Чай₁₁Cl₃. Он состоит из элементов серебра, меди, теллура и хлора. Исследователи столкнулись с этим классом соединений при изучении термоэлектрических материалов, которые вырабатывают электричество из тепла. Один материал, который они изучали, демонстрировал эффект переключения p-n. Однако это наблюдалось только в диапазоне температур около 100°C, что непригодно для практического применения.

После тщательного анализа и экспериментов, в Ag₁₈С₃Чай₁₁Cl₃ исследователи обнаружили материал, который демонстрирует желаемый эффект, а также подходит для применения при нормальных температурах. "Другие исследовательские группы также обнаружили этот эффект переключения в различных материалах, но до сих пор никому не удалось преобразовать его в конкретное применение", - объясняет Нильджес.

В качестве следующего шага исследователи планируют показать, что их материал может быть использован для создания транзисторов при изменении температуры.