Новая технология поможет продлить время работы батарей мобильных устройств

Исследователи из Техасского университета в Далласе создали технологию, которая может стать первым шагом на пути к носимым компьютерам с автономными источниками питания. Первый вариант решения — смартфоны, которые не «умирают» спустя несколько часов активного использования.

Как описано в статье в Nature Communications, эта технология использует мощность единственного электрона для управления потреблением энергии внутри транзисторов, которые лежат в основе большинства современных электронных систем.

Исследователи из Школы инженерии и компьютерных наук Эрика Йонссона выяснили, что если добавить специальную атомную тонкослойную пленку на транзистор, этот слой может действовать в качестве фильтра для энергии, которая проходит через него, при комнатной температуре. Итоговый сигнал превысил стандартные показатели в шесть-семь раз. Такие устройства будут использовать меньшее напряжение, но обладать мощным сигналом.

«Вся полупроводниковая промышленность ищет стип-устройства, поскольку они являются ключом к небольшим мощным мобильным устройствам с множеством функций, которые работают быстро, но не задействуют много энергии аккумулятора, — говорит Чиюнг Ким, профессор материаловедения и инженерии Школы Йонссона, а также автор работы. — Наше устройство — одно из возможных решений».

Задействование уникального и тонкого поведения одного электрона — это самый энергоэффективный способ для передачи сигналов в электронных устройствах. Поскольку сигнал настолько мал, он может легко смешаться с тепловым шумом при комнатной температуре. Чтобы увидеть этот квантовый сигнал, инженеры и ученые, создающие электронные устройства, как правило, используют внешние системы охлаждения для компенсации тепловой энергии в электронной среде. Фильтр, созданный учеными из Техасского университета, эффективно отфильтровывает тепловой шум.

Доктор Кьонджей Чо, профессор материаловедения и инженерии, считает, что транзисторы, изготовленные на базе этой технологии фильтрации, могут произвести революцию в полупроводниковой промышленности.

«Учитывая то, как охлаждение распределяется в современных транзисторах, имеются определенные ограничения на то, насколько малой может быть потребительская электроника, — говорит Чо. — Мы разработали технику для охлаждения электронов изнутри, что позволяет снизить рабочее напряжение, тем самым можем создать меньшие и более энергоэффективные устройства».

Каждый раз, когда устройство вроде смартфона или планшета проводит вычисления, оно потребляет электроэнергию. Снижение рабочего напряжение означает более длинную жизнь таким продуктам. Менее требовательные к энергии компьютеры можно будет буквально надевать на одежду и они не будут требовать внешних источников энергии.

Для создания такой технологии исследователи добавили тонкую пленку из оксида хрома на устройство. Такой слой при комнатной температуре отфильтровывает холодные, стабильные электроны и обеспечивает стабильную работу. Как правило, стабильность в таких случаях достигалась за счет охлаждения всего электронного полупроводникового устройства до криогенных температур.

Еще одно новшество, которое использовалось для создания этой технологии, — это вертикальная система слоев, которые будут тем практичнее, чем меньше будет устройство.

«Один из способов уменьшить устройство — сделать его вертикальным, так что ток будет течь сверху вниз, а не слева направо», — говорит Ким.

Лабораторные испытания показали, что устройство при комнатной температуре обладает мощностью сигнала электронов, идентичной традиционным устройства при температуре в -227 градусов по Цельсию. Исследователи также планируют испытать эту технику на электронах, которые работают в оптоэлектронике и спинтронике.

Следующим шагом будет распространение этой системы фильтрации в сфере полупроводников, производимых по технологии CMOS.

«Электроника прошлого работала на вакуумных трубках. Эти устройства были большими и требовали много энергии. Затем поле сдвинулось в сторону биполярных транзисторов, изготовленных по технологии CMOS. Теперь мы снова столкнулись с энергетическим кризисом, и это одно из решений по уменьшению энергопотребления устройств, которые становятся все меньше и меньше».