纳米级等离子体助力超快电子的皮秒级开关前沿科技

钻瓜导读:根据传统物理学,等离子体不应该在小于5微米的电气化气隙中形成。但它确实如此。纳米科学仍然有一些惊喜 ——洛桑联邦理工学院(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne,EPFL)的工程师们现在已经证实了一种基于等离子体的设备,其开关速度比我们所知的任何东西都快。事实上,他们仍然不知道它的开关速度有多快,因为不存在可以直接测量它的设备。

根据传统物理学,等离子体不应该在小于5微米的电气化气隙中形成。但它确实如此。纳米科学仍然有一些惊喜 ——洛桑联邦理工学院(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne,EPFL)的工程师们现在已经证实了一种基于等离子体的设备,其开关速度比我们所知的任何东西都快。事实上,他们仍然不知道它的开关速度有多快,因为不存在可以直接测量它的设备。

EPFL的工程师们测量到的是一种开关,它可以在皮秒内从0千瓦变为15.1千瓦(皮秒是百万分之一秒的百万分之一,或者说大约是光传播三分之一毫米所需的时间。)更妙的是,与其他任何可以接近这一性能的设备不同,这种纳米等离子体开关可以与其他需要的电路(如未来6G蜂窝网络的太赫兹发射器)一起构建在芯片上。
纳米等离子体开关是一种简单的双端装置。它基本上是两个金属电极在一个基板上,由一个空气间隙隔开。一旦电压跨过一个特定的阈值,电荷就会跃过,形成导电等离子体。确切地说,等离子体出现的原因仍然是一个谜。
在一个远大于5微米的空气间隙中,当电场加速一个电子,然后砸向一个气体分子,释放出更多的电子,这些电子加速并砸碎一些,最终膨胀成雪崩的电流时,等离子体就形成了。但在较短的距离内,情况并非如此。电子在空气中的“平均自由路径”约为5微米。这意味着,平均而言,一个电子每5微米的行程就会碰到一个分子。
Elison Matioli实验室的研究生Mohammad Samizadeh Nikoo说:“这些装置的工作原理远低于空气中的平均自由路径。在这么小的缝隙中,成吨的电子以弹道方式旅行,也就是说,没有可能抵制或偏离它们的干扰。因为热电子和空气之间几乎没有互动。"

近日发表在IEEE电子设备快报(IEEE Electron Device Letters)上的研究报告中,Nikoo、Matioli及其同事测试了纳米等离子体开关在“脉冲功率”应用中的性能。在这些情况下,你需要提供一个巨大但实际上是瞬时的功率爆发,而不是一个稳定的流量。这在触发核弹、发射轨道炮或可逆地在细胞中开孔以提供治疗方法等方面很有用。EPFL团队将间隙小至5微米的开关嵌入一个脉冲生成电路中。他们测量到每纳秒的电压上升速度为14千伏,放出870伏的电压,峰值电流为17.4安培,功率为15.1千瓦。

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Ilustration: Image: Power and Wide-band-gap Electronics Research Laboratory

Schematic of the structure of a micro- or nanoplasma switch with gap size g.
除了脉冲功率应用之外,开关的芯片级特性是其最重要的方面之一。诸如太赫兹发射器和超宽带发射器之类的电路由于连接它们的元件的电路板中的寄生电容和电感而失去效率。如果这些可以集成到芯片上,那么这些寄生物就会消失。因为纳米间隙开关只是绝缘体上的金属,它可以与天线等其他元件集成在芯片上。
在去年的研究中,EPFL团队也这样做了,将开关与蝴蝶结形天线集成,以产生近太赫兹(109 GHz)信号。Samizadeh Nikoo和Matioli说,他们正在演示大规模生产的全金属集成系统。
你可能会争辩说,如果你追求的是芯片级集成,也许使用半导体开关会更好。但Matioli说,纳米等离子体技术“比任何典型的半导体器件都快得多”。由于电容、最大电子速度和临界电场强度的综合作用,半导体开关的基本开关速度极限约为每皮秒1伏。但EPFL测得的纳米等离子体开关至少每皮秒12伏。
直接测量纳米等离子体开关的工作速度可能暂时不会发生。纳米等离子体的速度记录是由Keysight公司的工程师将一台110ghz的演示示波器带到Matioli的实验室进行了三个小时的实验后得到的。但即使是那个仪器也不够快。
“我们测量了5皮秒,但它可能是1皮秒或100飞秒或更快,”Samizadeh Nikoo说。
(来源:悦智网)
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