(PhysOrg.com) -- Circuits die logische bewerkingen kunnen uitvoeren met een druk op de knop zijn tegenwoordig een dozijn, maar een doorbraak van onderzoekers in de VS heeft ertoe geleid dat ze kleiner en eenvoudiger kunnen zijn dan ooit tevoren. Door voor het eerst een enkel materiaal te gebruiken als zowel de knop als het circuit, wetenschappers van het Georgia Institute of Technology hebben kleine logische circuits gemaakt die kunnen worden gebruikt als basis voor robotica en processors op nanometerschaal.

Professor Zhong Lin (ZL) Wang, wie leidt het onderzoek, legt uit hoe de bijzondere eigenschappen van zinkoxide dit werk mogelijk hebben gemaakt. “Zinkoxide is uniek vanwege de gekoppelde piëzo-elektrische en halfgeleidereigenschappen.” Het piëzo-elektrisch effect treedt op wanneer een materiaal, veroorzaakt door er bijvoorbeeld op te drukken, verandert de kristalstructuur omkeerbaar in één richting genoeg om een ​​elektrisch veld te maken.

De mechanische beweging induceert een spanning van de ene kant van het materiaal naar de andere. Halfgeleiders hebben het vermogen om elektriciteit te geleiden, of niet, afhankelijk van een externe factor. In zinkoxide, deze twee kenmerken combineren en het transport van elektrische stroom wordt beïnvloed door het piëzo-elektrische effect, wat betekent dat veranderingen in spanning resulteren in veranderingen in het vermogen van het materiaal om elektriciteit te geleiden. Dit is het zogenaamde piëzotronische effect.

Door het zinkoxide in de vorm van een nanodraad te hebben, (diameter 300 nanometer; lengte 400 micrometer), en gebonden met metalen aan elk uiteinde, Wang heeft effectief een kleine transistor geproduceerd, die is omheind (open of gesloten, met al dan niet stromende elektriciteit) door de spanning die op de nanodraad wordt uitgeoefend.

In resultaten gepubliceerd in Geavanceerde materialen deze week, Wang en zijn collega's laten zien hoe door een passend aantal van deze transistors in verschillende opstellingen te combineren, systemen kunnen worden gemaakt die de logische basisfuncties van NAND kunnen verwerken, NOCH, en XOR, evenals fungeren als multiplexers (MUX) en demultiplexers (DEMUX).

Tot nu, logische processors vertrouwden op het gebruik van CMOS-technologie, met behulp van twee complementaire componenten, een metaaloxide en een halfgeleider, zoals silicium. In CMOS-processors, er is een elektrisch signaal nodig om de poort te bedienen. Als een mechanische stimulus nodig is, toch moet er nog een component aan het systeem worden toegevoegd. Daarentegen, Wang beweert dat zijn werk een "gloednieuwe benadering van logische bewerking vertegenwoordigt die mechanisch-elektrisch gekoppelde en gecontroleerde acties uitvoert in één structuureenheid met behulp van een enkel materiaal (dat is zinkoxide) ... Dit is de allereerste demonstratie van mechanische actie-geïnduceerde elektronische bewerking met de introductie van een nieuw aandrijfmechanisme in vergelijking met bestaande op silicium gebaseerde logische bewerkingen. Dit is ook de eerste demonstratie in zijn soort met nanodraden.”

Werken op nanoschaal brengt zijn eigen uitdagingen met zich mee, en de moeilijkste onderdelen van dit werk waren het synthetiseren van hoogwaardige nanodraden en het manipuleren ervan op het substraat, zodat ze op een gesynchroniseerde manier zouden werken. Maar Wang is er nu van overtuigd dat ze een goede controle over het proces hebben bereikt, en de resultaten getuigen dat dit het geval is.

De logische circuits zijn niet zo snel als de huidige en gebaseerd op CMOS, maar Wang ziet dit niet als een probleem. In feite, hij ziet de toepassingen van de twee technologieën als complementair. "De spanningsafhankelijke logische apparaten zijn ontworpen om te communiceren met de omgeving, die wordt geassocieerd met laagfrequente mechanische acties, en de doel- en targetingtoepassingen zijn anders dan die van conventionele siliciumapparaten die op snelheid zijn gericht.” Beoogde toepassingen zijn onder meer nanorobotica, omvormers, micromachines, mens-computer interface, en microfluïdica (waar kleine kanaaltjes verschillende vloeistoffen vervoeren, meestal om te worden gemengd voor reactie streng gecontroleerde manieren).

De groep is van plan om de nieuwe spanningsafhankelijke transducers samen te voegen met sensoren en energieopnemende componenten die ze eerder ook van zinkoxide-nanodraden hebben gemaakt om "zelfvoorzienende, volledig op nanodraad gebaseerd, multifunctionele zelfaangedreven autonome intelligente nanoschaalsystemen.” Het lijkt erop dat we niet eens meer op een knop hoeven te drukken.