Новый наноинженерный переключатель сокращает тепловые потери в электронике

Наноинженерный оптоэкзитонный переключатель демонстрирует превосходные электронные характеристики и снижает потери энергии из-за нагрева. Автор: ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c05057

Электронные устройства теряют энергию в виде тепла из-за движения электронов. Теперь прорыв в наноинженерии позволил создать новый тип переключателя, который соответствует производительности лучших традиционных конструкций, одновременно преодолевая ограничения по энергопотреблению современной электроники.

Исследователи из Мичиганского университета достигли того, что ученые пытались реализовать в течение долгого времени: создания электроники, использующей экситоны — пары электрона и соответствующей дырки (отсутствующего электрона), связанные вместе и образующие незаряженную частицу — вместо электронов.

Новое наноинженерное оптоэкзитонное (NEO) устройство включало монослой диселенида вольфрама (WSe₂) на сужающемся наногребне из диоксида кремния (SiO₂). Переключатель достиг 66% снижения потерь по сравнению с традиционными переключателями, одновременно превзойдя коэффициент включения-выключения 19 дБ при комнатной температуре — производительность, которая конкурирует с лучшими электронными переключателями, доступными на рынке.

Результаты опубликованы в журнале ACS Nano.

Путешествие электронов через проводник не всегда гладкое. Хотя проводящие материалы позволяют электронам течь через них, они в некоторой степени сопротивляются потоку электронов. Сопротивление потоку приводит к тому, что часть энергии электронов преобразуется в тепловую энергию. Это выделение энергии в виде тепла и нагревает ноутбуки, смартфоны и другую бытовую электронику.

Схема экзитонного переключающего устройства. Автор: ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c05057

Поскольку экситоны не несут электрического заряда, они значительно снижают потери энергии и повышают эффективность. Однако ученые боролись с контролем экситонов из-за отсутствия у них заряда, что затрудняло их быстрое перемещение в контролируемом направлении и на расстояния, достаточные для практического применения, такого как переключатели.

Для устройства NEO исследователи использовали экситоны в монослое диселенида вольфрама (WSe₂) — материала с достаточно высокой энергией связи, чтобы сохранять экситоны стабильными даже при комнатной температуре. Слой WSe₂ был затем размещен на тщательно спроектированном наногребне из диоксида кремния (SiO₂) с сужениями.

Эта установка позволила исследователям преодолеть давние проблемы, обеспечив сильное взаимодействие между светлыми и темными экситонами (экситонами, которые не излучают свет), что привело к квантовому эффекту, способному притягивать всю популяцию экситонов для транспортировки как дальше, так и быстрее — до 400% больше, чем популярные экситонные направляющие.

Транспорт экситонов в режиме сильной и слабой связи. Автор: ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c05057

Взаимодействие экситон-свет также генерировало сильную опто-экзитонную силу, которая формировала энергетический барьер, способный блокировать поток экситонов для переключения сигнала в положение «выключено» и обращать процесс при необходимости. Кроме того, устройство NEO контролировало направленность экситонов с использованием сужающейся структуры наногребня, которая создает направленную силу, действующую как фотонный направляющий, направляя экситоны по единственному, четко определенному пути.

Исследователи отмечают, что их результаты демонстрируют, как тщательно продуманный структурный дизайн может улучшить и контролировать транспорт экситонов, прокладывая путь для устройств следующего поколения, которые соединяют разрыв между электроникой и фотоникой.

Больше информации: Zhaohan Jiang et al, Nanoengineered Optoexcitonic Switch, ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c05057