Einbahnstraße für Elektronen

Strom aus Daten: Eine neue Form von Dioden könnte künftig die Verarbeitung von hochfrequenten Datenströmen erleichtern – und sie gleichzeitig zur Stromgewinnung nutzen. Möglich wird dies durch geometrische Dioden aus Silizium, die allein durch ihre Form zu einer Einbahnstraße für Elektronen werden. Im Gegensatz zu den bisher gängigen Halbleiter-Dioden arbeiten sie auch bei hohen Wechselspannungen effektiv, wie die Forscher im Fachmagazin „Science“ berichten.

Ob aus DNA, organischen Materialien oder klassischen Halbleitern: Dioden stecken heute in fast allen elektronischen Geräten. Denn sie sorgen dafür, dass der Wechselstrom unserer Netzversorgung in einen gleichmäßigen Fluss von Elektronen umgewandelt wird. Auch für Computerprozessoren, LEDs und viele Sensoren sind Dioden unverzichtbar. Bisher werden in ihnen vor allem Grenzflächen zwischen unterschiedlich dotierten Halbleitern als Dioden eingesetzt. Sie erzeugen eine Potenzialbarriere, die das Zurückströmen der Elektronen blockiert.

Geometrisch statt elektronisch

Doch es gibt noch eine andere Möglichkeit, „Einbahnstraßen“ für Elektronen zu konstruieren: geometrische Dioden. Bei diesen sorgt allein die Form des Leiters dafür, dass die Elektronen nur in eine Richtung strömen können. Der Vorteil: Eine solche mechanisch-geometrische Barriere funktioniert auch bei hochfrequenten Wechselströmen, ohne dass erhöhte Widerstände auftreten, wie James Custer von der University of North Carolina und seine Kollegen erklären.

Custer und seinem Team ist es nun gelungen, geometrische Dioden aus Silizium zu konstruieren, die bei Raumtemperatur funktionieren und selbst Frequenzen von 40 Gigahertz gleichrichten können, wie sie berichten. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Dioden für Hochfrequenzanwendungen auch nach einem komplett anderen Paradigma funktionieren können“, erklärt Custers Kollege James Cahoon.

Trichterförmige Nanokanäle im Silizium

Konkret besteht die neue geometrische Diode aus einem nur rund 100 Nanometer dicken Kanal aus Silizium, der sich an mehreren Stellen trichterförmig verengt. Nach dieser Engstelle erweitert sich der Leiter wieder abrupt zur vollen Dicke. Die Forscher erzeugten diese speziell geformten Siliziumleiter durch eine spezielle Art der Kristallzüchtung, bei der Goldnanopartikel die Bildung der aus einem Silizium-Einkristall gebildeten Leiterstrukturen fördern.

Die fertige Diode hat eine ratschenähnliche Form, die Elektronen in Richtung der Verengung freie Bahn gewährt. In Gegenrichtung zurückströmende Elektronen prallen dagegen an den steilen Kanten der Engstellen ab und werden so zurückgehalten. In ersten Tests funktionierte diese Rückhaltung bei Wechselspannungen von 100 Megahertz bis hinauf zu 40 Gigahertz, wie Custer und sein Team berichten.

„Ein Großteil der Forschung in diesem Fachgebiet wurde bisher nur mit teuren Materialien bei tiefen Temperaturen durchgeführt“, erklärt Custer. „Aber unsere Arbeit zeigt, dass geometrische Dioden aus relativ günstige Silizium schon bei Raumtemperatur funktionieren – das hat selbst uns zunächst überrascht.“

Strom und Daten aus nur einem Signal

Nach Ansicht der Forscher könnte solche Dioden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Diese Einbahnstraßen ermöglichen es beispielsweise, die Energie fluktuierender elektromagnetischer Felder in nutzbaren Strom umzuwandeln. Kleine Elektrogeräte oder Sensoren könnten so allein durch die allgegenwärtigen Felder in unseren Wohnungen oder Büros aufgeladen werden.

„Diese Dioden könnten eine Zukunft ermöglichen, in denen sich Smartwatches kabellos allein durch den empfangenen Datenstrom aufladen“, sagt Custer. In einem Test nutzten er und sein Team das modulierte Datensignal eines digitalen Musikstücks, um mithilfe ihrer geometrische Dioden daraus Strom zu gewinnen. „Dies demonstriert, dass ein einziges Input-Signal gleichzeitig Daten und nutzbaren Strom liefern kann“, so die Forscher. (Science, 2020; doi: 10.1126/science.aay8663)

Quelle: University of North Carolina at Chapel Hill