- Der von Princeton entwickelte Halbleiter lässt sich per Licht programmieren und neu programmieren.
- Die Eigenschaften des neuen Materials können ohne Neuaufbau angepasst werden und gehen über herkömmliche binäre Schalter hinaus.
- Das Forschungsteam demonstrierte ein Array programmierbarer elektronischer Schalter und zeigte damit das Potenzial lichtgesteuerten Verhaltens.
- Künftige elektronische Geräte könnten nach der Herstellung in ihrer Funktion verändert werden, ohne dass Halbleiter neu entwickelt werden müssen.
Forscher der Princeton University haben einen dünnen Halbleiter entwickelt, der sich durch Licht unterschiedlicher Wellenlängen programmieren, löschen und neu programmieren lässt. Anders als bei herkömmlichen Halbleitern, deren elektrische Eigenschaften nach der Herstellung im Wesentlichen festgelegt sind, lässt sich dieses neue Material wiederholt anpassen. Das Forschungsteam kombinierte einen zweidimensionalen Halbleiter mit lichtresponsiven Molekülen. Unter Bestrahlung mit Licht bestimmter Wellenlängen verändern diese Moleküle ihre Struktur. Diese Veränderung beeinflusst die elektronischen und optischen Eigenschaften des Halbleiters, sodass dessen Reaktion gesteuert werden kann, ohne das Material neu aufzubauen.
Die Forscher erklärten, dies könne letztlich dazu führen, dass sich die Funktionen elektronischer Geräte noch nach der Herstellung ändern lassen, anstatt sie bereits im Fertigungsprozess dauerhaft festzulegen.
Neue Methode zur lichtgesteuerten Halbleiterkontrolle
Licht eröffnet eine neue Möglichkeit, Halbleiter zu steuern. Saien Xie, Assistenzprofessor für Elektro- und Computertechnik und Hauptautor der Studie, sagte: „Der erste Schritt zur Schaffung intelligenter Materialien ist die Fähigkeit zur Reaktion. Lebende Systeme sind so intelligent, weil sie ihre Umgebung ununterbrochen wahrnehmen und auf sie reagieren. Wir wollen ein Material schaffen, das ähnlich auf äußere Reize reagiert, anstatt dauerhaft festgelegt zu sein.“ Dieses Material überwindet zudem das binäre Verhalten herkömmlicher elektronischer Schalter. Seine Reaktion beschränkt sich nicht nur auf Ein- oder Aus-Zustände, sondern lässt sich schrittweise anpassen und anschließend mithilfe von Licht wieder umkehren.
Ji erklärte: „Wir können die Reaktion des Materials schrittweise justieren und den Vorgang anschließend umkehren.“ Diese Fähigkeit ergibt sich aus der Wechselwirkung zwischen dem Halbleiter und den an ihm gebundenen Molekülen. Veränderungen der Molekülstruktur beeinflussen die Leitfähigkeit des Halbleiters und seine Reaktion auf Licht und bieten den Forschern so eine Möglichkeit, seine Eigenschaften dynamisch anzupassen.
Potenzial programmierbarer elektronischer Geräte
Diese Arbeit ist besonders für programmierbare elektronische Geräte relevant, da die Veränderung des Geräteverhaltens üblicherweise andere Hardware oder Schaltungen erfordert. Das Forschungsteam hat bereits ein gleichmäßiges Halbleiterstück mit einer Fläche von 1 Zoll mal 1 Zoll gefertigt. Mithilfe dieses Materials bauten die Forscher Arrays programmierbarer elektronischer Schalter auf und zeigten, dass sich lichtgesteuertes Verhalten in funktionale Strukturen integrieren lässt – und nicht nur auf kleine Laborproben beschränkt bleibt. Der nächste Schritt besteht darin, diese Schalter in Schaltkreise einzubinden. Schaltkreise sind die Grundbausteine komplexerer elektronischer Systeme; ein funktionierender Schaltkreis würde diese Technik daher einen deutlichen Schritt näher an praktische Anwendungen bringen.
Die Forscher stellen sich vor, dass sich elektronische Geräte nach Verlassen der Fertigung modifizieren lassen. Dadurch könnte dieselbe Hardware unterschiedliche Funktionen übernehmen, ohne dass für jede Anwendung ein völlig neuer Halbleiter entwickelt werden müsste. Saien Xie sagte: „Unsere langfristige Vision ist es, elektronische Geräte zu bauen, deren Funktionen nicht mehr im Fertigungsprozess festgelegt werden. Wir wollen Geräte entwerfen, deren Eigenschaften sich nach der Herstellung dynamisch rekonfigurieren lassen. Diese Arbeit zeigt einen wichtigen Schritt zur Verwirklichung dieses Ziels.“ Dieser Ansatz befindet sich noch in einem frühen Forschungsstadium. Die aktuellen Demonstrationen zeigen programmierbare Halbleiterschalter; eine größere Integration in Schaltkreise und vollständige elektronische Geräte bleibt jedoch ein Ziel für die Zukunft.
Lässt sich diese Technik skalieren, könnte Licht eine neue Möglichkeit bieten, Halbleitereigenschaften zu steuern, ohne das Basismaterial physisch zu verändern. Damit würde der Weg für elektronische Geräte geebnet, die anpassungsfähiger sind als heutige Chips mit festen Funktionen.
Die Studie mit dem Titel „Large-Area, Optically Programmable 2D Semiconductors Functionalized with Photochromic Molecules“ wurde in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.
Zukunftsperspektiven lichtprogrammierbarer Halbleiter
Die Studie zeigt das Potenzial, Halbleitereigenschaften mithilfe von Licht zu steuern. Dies könnte nicht nur die Flexibilität elektronischer Geräte erhöhen, sondern auch den Bedarf an neuer Hardware verringern. Mit fortschreitender Technologie könnten künftige elektronische Geräte intelligenter werden und ihre Funktionen dynamisch an veränderte Umgebungsbedingungen anpassen. Für den sich rasch wandelnden Technologiemarkt bedeutet dies eine höhere Anpassungsfähigkeit und Effizienz und könnte unser grundlegendes Verständnis vom Design elektronischer Geräte verändern.