Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben een nieuwe klasse elektronische logische apparaten ontwikkeld waarin stroom wordt geschakeld door een elektrisch veld dat wordt gegenereerd door mechanische spanning op nanodraden van zinkoxide.

de apparaten, waaronder transistors en diodes, kan worden gebruikt in robotica op nanometerschaal, nano-elektromechanische systemen (NEMS), micro-elektromechanische systemen (MEMS) en microfluïdische apparaten. De mechanische actie die wordt gebruikt om de belasting te initiëren, kan zo simpel zijn als het indrukken van een knop, of worden gecreëerd door de stroom van een vloeistof, rekken van spieren of de beweging van een robotcomponent.

In traditionele veldeffecttransistors, een elektrisch veld schakelt - of "poort" - de stroom van elektrische stroom door een halfgeleider. In plaats van een elektrisch signaal te gebruiken, de nieuwe logische apparaten creëren het schakelveld door zinkoxide-nanodraden mechanisch te vervormen. De vervorming zorgt voor spanning in de nanodraden, het genereren van een elektrisch veld door het piëzo-elektrisch effect - dat elektrische lading creëert in bepaalde kristallijne materialen wanneer ze worden onderworpen aan mechanische spanning.

"Als we een spanning uitoefenen op een nanodraad die over twee metalen elektroden is geplaatst, we creëren een veld, die sterk genoeg is om als poortspanning te dienen, " zei Zhong Lin Wang, een Regents-professor aan de Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Met dit type apparaat kan mechanische actie worden gekoppeld aan elektronica, en zou de basis kunnen zijn voor een nieuwe vorm van logisch apparaat dat de piëzo-elektrische potentiaal gebruikt in plaats van een poortspanning."

Wang, die een reeks artikelen over de apparaten heeft gepubliceerd in tijdschriften als Nano-letters , Geavanceerde materialen en Technische Natuurkunde Brieven , noemt deze nieuwe klasse van apparaten op nanometerschaal "piëzotronica", omdat ze piëzo-elektrisch potentieel gebruiken om het ladingstransportproces in halfgeleiders af te stemmen en te poorten. De apparaten vertrouwen op de unieke eigenschappen van nanostructuren van zinkoxide, die zowel halfgeleidend als piëzo-elektrisch zijn.

De transistors en diodes voegen toe aan de familie van nanodevices die is ontwikkeld door Wang en zijn onderzoeksteam, en kunnen worden gecombineerd tot systemen waarin alle componenten zijn gebaseerd op hetzelfde zinkoxidemateriaal. De onderzoekers hebben eerder de ontwikkeling aangekondigd van generatoren op nanometerschaal die een spanning produceren door mechanische beweging uit de omgeving om te zetten, en nanodraadsensoren voor het meten van de pH en het detecteren van ultraviolet licht.

"De familie van apparaten die we hebben ontwikkeld, kan worden samengevoegd om zelfaangedreven, autonome en intelligente nanoschaalsystemen, Wang zei. "We kunnen complexe systemen creëren die volledig gebaseerd zijn op zinkoxide nanodraden met geheugen, verwerken, en detectiemogelijkheden aangedreven door elektrische energie die uit de omgeving wordt weggevangen."

Met behulp van spanningsgevoelige transistors vervaardigd op een flexibel polymeersubstraat, de onderzoekers hebben elementaire logische bewerkingen aangetoond - inclusief NOR, XOR- en NAND-poorten en multiplexer/demultiplexer-functies - door simpelweg verschillende soorten spanning toe te passen op de zinkoxide-nanodraden. Ze hebben ook een inverter gemaakt door aan weerszijden van een flexibel substraat spanningsgevoelige transistoren te plaatsen.

"Door de spanningsafhankelijke transistor als bouwsteen te gebruiken, we kunnen ingewikkelde logica bouwen, " voegde Wang toe. "Dit is de eerste keer dat een mechanische actie is gebruikt om een ​​logische bewerking te creëren."

Een spanningsafhankelijke transistor is gemaakt van een enkele zinkoxide-nanodraad waarvan de twee uiteinden - de source- en drain-elektroden - door metalen contacten op een polymeersubstraat zijn bevestigd. Het buigen van de apparaten keert hun polariteit om als de spanning aan weerszijden verandert van druk in trek.

De apparaten werken op lage frequenties - het soort dat wordt gecreëerd door menselijke interactie en de omgevingsomgeving - en zouden traditionele CMOS-transistoren niet uitdagen voor snelheid in conventionele toepassingen. De apparaten reageren op zeer kleine mechanische krachten, merkte Wang op.

De Georgia Tech-groep heeft ook geleerd om de geleidbaarheid in zinkoxide-nanoapparaten te regelen met behulp van laseremissies die profiteren van de unieke foto-excitatie-eigenschappen van het materiaal. Wanneer ultraviolet licht van een laser een metalen contact raakt dat aan een zinkoxidestructuur is bevestigd, het creëert elektron-gatparen die de hoogte van de Schottky-barrière bij het zinkoxide-metaalcontact veranderen.

Deze geleidbaarheidsveranderende eigenschappen van de laseremissies kunnen samen met veranderingen in mechanische belasting worden gebruikt om een ​​nauwkeurigere controle te geven over de geleidende capaciteiten van een apparaat.

"De laser verbetert de geleidbaarheid van de structuur, Wang merkte op. "Het lasereffect staat in contrast met het piëzo-elektrische effect. Het lasereffect vermindert de barrièrehoogte, terwijl het piëzo-elektrische effect de barrièrehoogte verhoogt."

Wang heeft deze nieuwe apparaten genoemd, vervaardigd door piëzo-elektrische koppeling, fotonexcitatie en halfgeleidereigenschappen "piëzo-fototronische" apparaten.

De onderzoeksgroep heeft ook hybride logische apparaten gemaakt die zinkoxide-nanodraden gebruiken om de stroom door enkelwandige koolstofnanobuizen te regelen. De nanobuisjes, die werden geproduceerd door onderzoekers van Duke University, kan zowel p-type als n-type zijn.

Het onderzoek is ondersteund door de National Science Foundation (NSF), het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), en het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE). Naast Wang, het onderzoeksteam omvat Wenzhuo Wu, Yaguang Wei, Youfan Hu, Weihua Liu, Minbaek Lee, Yan Zhang, Yanling Chang, Shu Xiang, Lei Ding, Jie Liu en Robert Snyder.

"Ons werk met spanningsafhankelijke apparaten biedt een nieuwe benadering van logische bewerkingen die mechanisch-elektrische acties uitvoeren in één structurele eenheid met behulp van een enkel materiaal, Wang merkte op. "Deze transistors kunnen nieuwe verwerkings- en geheugenmogelijkheden bieden in zeer kleine en draagbare apparaten."