Исследовательская группа обнаружила значительные нелинейные эффекты Холла и беспроводное выпрямление при комнатной температуре в элементарном полупроводнике теллуре (Te). Исследование было опубликовано в Nature Communications.
Нелинейный эффект Холла (NLHE) представляет собой реакцию второго порядка на приложенный переменный ток, которая может генерировать сигналы второй гармоники без введения внешнего магнитного поля. NLHE представляет значительный научный интерес из-за его потенциальных применений в устройствах удвоения частоты и выпрямления. Эти устройства могут быть использованы в различных приложениях, таких как радиолокация, телекоммуникации и электронная техника.
Однако предыдущие исследования столкнулись с такими проблемами, как низкие выходные напряжения Холла и низкие рабочие температуры, что затрудняло практическое применение NLHE. В настоящее время «эффект» при комнатной температуре наблюдался только в полуметалле Дирака BaMnSb2 и полуметалле Вейля TaIrTe4, оба из которых демонстрируют относительно небольшие выходные напряжения и не обладают настраиваемостью. Это ограничивает их применение в устройствах и делает их менее гибкими и менее перспективными для использования в различных приложениях.
Источник: Zeng Changgan, Li Lin / https://doi.org/10.1038/s41467-024-49706-y
Для решения этих проблем исследовательская группа приняла решение искать системы, демонстрирующие исключительные NLHE в полупроводниковых материалах. Они изучили нелинейный отклик Te, узкозонного полупроводника, характеризующегося одномерными атомными спиральными цепочками структур, которые по своей сути нарушают инверсионную симметрию, что делает Te идеальным кандидатом.
Команда обнаружила значительный NLHE при комнатной температуре в тонких «чешуйках» Te с настраиваемыми выходами напряжения Холла, модулированными внешними напряжениями затвора. При 300 К максимальный выход второй гармоники может достигать 2,8 мВ, что на порядок выше предыдущих достижений. С помощью дальнейших экспериментов и теоретического анализа учёные обнаружили, что наблюдаемый NLHE в тонких Te в первую очередь обусловлен внешним рассеянием, причем нарушение симметрии поверхности тонкой структуры «чешуек» играет решающую роль.
Опираясь на это достижение, команда заменила переменный ток радиочастотными (РЧ) сигналами, реализовав беспроводное РЧ-выпрямление в Те. Они добились стабильного выпрямленного выходного напряжения в широком диапазоне частот от 0,3 до 4,5 ГГц.
В отличие от обычных выпрямителей, которые используют pn-переходы или переходы металл-полупроводник, выпрямитель Холла, основанный на свойствах Те, обеспечивает широкополосный отклик при нулевом смещении, что делает его привлекательным вариантом для разработки эффективных и надёжных устройств сбора энергии и беспроводной зарядки.
Раскрывая основные механизмы нелинейного переноса энергии в Te, это исследование расширяет знания о нелинейном переносе в твёрдых материалах и открывает новые возможности для будущего развития современных электронных устройств.
Группу возглавляли профессор Цзэн Чанган и научный сотрудник Ли Линь из Китайского университета науки и технологий (USTC) Китайской академии наук (CAS).