可同时处理超高速无线数据和收集能量的设备

在合适的条件下，在超小型几何结构中，可以像对待粒子从壁上弹起的粒子一样对待电子。如果电子包含在导线中并且对称性破裂，则电子可以优先在一个方向上漏斗而在另一个方向上受阻，从而形成一个二极管。

北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员在一条通往电子的单向街上打通了信息，这可能会激发设备处理超高速无线数据并同时收集电能的能力。研究人员通过在微观尺度上对硅进行整形以形成电子的漏斗或“棘轮”来实现此目的。

这种方法令人兴奋，因为它可以实现一个未来，例如低功耗智能手表可以从已经接收到的数据中无线充电，而无需再进行充电。 UNC-教堂山艺术与科学学院的博士生James Custer Jr.说。

研究结果于2020年4月10日发表在《科学》杂志上。卡斯特是第一作者。他曾与杜克大学和范德比尔特大学的合作者一起工作。

电子载有电流，它们通常不关心电流在其中流动的导线的形状。但是，当事情变得很小时，形状就开始重要了。这里的漏斗非常小，比典型的电线小一百万倍。结果，内部的电子就像台球一样，从表面自由弹起。然后，不对称的漏斗形状使电子优先向一个方向反弹。实际上，电子被迫沿着单向行进。

在直流（DC）电压下，漏斗使电流更容易以正向流动，而不是反向流动，从而形成一个电二极管。当施加交流电（AC）时，该结构仍仅允许电流在一个方向上流动，表现为棘齿并导致电子在一侧积聚。此过程就像套筒扳手，其棘轮力仅在一个方向上产生物理运动。

这项工作表明，这些电子棘轮产生了在室温下工作的“几何二极管”，并可能在虚幻的太赫兹状态下释放出空前的能力。

化学副教授James Cahoon说：“电子二极管是电子学的基本组成部分，我们的研究结果表明，在非常高的频率下工作的二极管的设计可能会有完全不同的范例。”Cahoon是通讯作者，并领导了该研究的研究小组。“结果是可能的，因为我们使用合成工艺从下至上生长结构，从而生产出几何形状精确的单晶材料。”

电子棘轮是由先前在Cahoon组中开发的称为ENGRAVE的过程创建的，该过程代表“通过VLS和蚀刻进行的编码纳米线的生长和外观”。ENGRAVE使用汽液固过程化学生长具有精确定义的几何形状的硅单晶圆柱体，称为纳米线。

卡斯特说：“该领域的许多工作以前都是在低温下用昂贵的材料完成的，但是我们的工作强调，用相对便宜的硅制成的几何二极管可以在室温下工作，这首先令我们感到惊讶，”卡斯特说。“我们希望我们的结果激发人们对几何二极管的兴趣。”

二极管是所有技术的基础。它们允许计算机通过将信号编码为1和0来处理数据。传统上，二极管需要材料之间的接口，例如n型和p型半导体之间或半导体和金属之间的接口。相比之下，几何二极管由单一材料制成，仅使用形状即可优先将电荷导向一个方向。

随着不断的发展，纳米线电子棘齿系统有望为新技术铺平一条高速，单向的道路。

参考：James P. Custer Jr.，Jeremy D. Low，David J. Hill，Taylor S. Teitsworth，Joseph D. Christesen，Collin J. McKinney和James R.“室温下硅几何二极管中的准弹道电子”。麦克布莱德（McBride），马丁·布鲁克（Martin A.Brooke），斯科特·C·沃伦（Scott C.Warren）和詹姆斯·F·卡胡恩（James F.
10.1126 / science.aay8663