(PhysOrg.com) -- Profiteren van de unieke eigenschappen van zinkoxide nanodraden, onderzoekers hebben een nieuw type piëzo-elektrisch resistief schakelapparaat gedemonstreerd waarin de schrijf-leestoegang van geheugencellen wordt geregeld door elektromechanische modulatie. Werkend op flexibele ondergronden, arrays van deze apparaten zouden een nieuwe manier kunnen bieden om de mechanische acties van de biologische wereld te koppelen aan conventionele elektronische circuits.

De piëzo-elektrisch gemoduleerde resistieve geheugen (PRM) apparaten profiteren van het feit dat de weerstand van piëzo-elektrische halfgeleidende materialen zoals zinkoxide (ZnO) kan worden gecontroleerd door het uitoefenen van spanning door een mechanische actie. De verandering in weerstand kan elektronisch worden gedetecteerd, het verschaffen van een eenvoudige manier om een ​​elektronisch signaal te verkrijgen van een mechanische actie.

“We kunnen de interface vormen tussen biologie en elektronica, " zei Zhong Lin Wang, Regents professor aan de School of Materials Science and Engineering aan het Georgia Institute of Technology. “Deze technologie, die is gebaseerd op nanodraden van zinkoxide, maakt communicatie mogelijk tussen een mechanische actie in de biologische wereld en conventionele apparaten in de elektronische wereld.”

Het onderzoek werd op 22 juni online gerapporteerd in het tijdschrift Nano Letters. Het werk werd gesponsord door het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), de Nationale Wetenschapsstichting (NSF), de U.S. Air Force en het U.S. Department of Energy.

In conventionele transistoren, de stroom van stroom tussen een bron en een afvoer wordt geregeld door een poortspanning die op het apparaat wordt toegepast. Die poortspanning bepaalt of het apparaat aan of uit staat.

De piëzotronische geheugenapparaten ontwikkeld door Wang en afgestudeerde student Wenzhuo Wu profiteren van het feit dat piëzo-elektrische materialen zoals zinkoxide een ladingspotentieel produceren wanneer ze mechanisch worden vervormd of anderszins onder spanning worden gezet. Deze PRM-apparaten gebruiken de piëzo-elektrische lading die door de vervorming wordt gecreëerd om de stroom te regelen die door de zinkoxide-nanodraden die het hart van de apparaten vormen, het basisprincipe van piëzotronica. De lading zorgt voor polariteit in de nanodraden - en verhoogt de elektrische weerstand net als poortspanning in een conventionele transistor.

“We vervangen de toepassing van een externe spanning door de productie van een interne spanning, ’ legde Wang uit. “Omdat zinkoxide zowel piëzo-elektrisch als halfgeleidend is, wanneer u het materiaal met een mechanische actie spant, je creëert een piëzopotentiaal. Deze piëzopotentiaal stemt het ladingstransport over de interface af – in plaats van de kanaalbreedte te regelen zoals bij conventionele veldeffecttransistoren.”

De mechanische belasting kan komen van mechanische activiteiten die zo divers zijn als het ondertekenen van een naam met een pen, de beweging van een actuator op een nanorobot, of biologische activiteiten van het menselijk lichaam, zoals een kloppend hart.

"We regelen de ladingsstroom over de interface met behulp van spanning, ’ legde Wang uit. “Als je geen spanning hebt, de lading stroomt normaal. Maar als je een soort toepast, de resulterende spanning bouwt een barrière op die de stroom regelt.”

De piëzotronische schakeling beïnvloedt de stroom die in slechts één richting vloeit, afhankelijk van het feit of de spanning trek- of drukvast is. Dat betekent dat het geheugen dat is opgeslagen in de piëzotronische apparaten zowel een teken als een grootte heeft. De informatie in dit geheugen kan worden uitgelezen, verwerkt en opgeslagen via conventionele elektronische middelen.

Profiteren van grootschalige fabricagetechnieken voor zinkoxide nanodraadarrays, de Georgia Tech-onderzoekers hebben niet-vluchtige resistieve schakelgeheugens gebouwd voor gebruik als opslagmedium. Ze hebben aangetoond dat deze piëzotronische apparaten kunnen worden geschreven, die informatie kan daaruit worden afgelezen, en dat ze kunnen worden gewist voor hergebruik. Ongeveer 20 van de arrays zijn tot nu toe gebouwd om te testen.

De zinkoxide nanodraden, die ongeveer 500 nanometer in diameter en ongeveer 50 micron lang zijn, worden geproduceerd met een fysiek dampafzettingsproces dat een oven op hoge temperatuur gebruikt. De resulterende structuren worden vervolgens behandeld met zuurstofplasma om het aantal kristallijne defecten te verminderen - wat helpt om hun geleidbaarheid te beheersen. De arrays worden vervolgens overgebracht naar een flexibel substraat.

“De schakelspanning is afstembaar, afhankelijk van het aantal zuurstofvacatures in de structuur, ’ zei Wang. “Hoe meer defecten je wegdooft met het zuurstofplasma, hoe groter de spanning die nodig is om de stroom te laten vloeien.”

De piëzotronische geheugencellen werken op lage frequenties, die geschikt zijn voor het soort biologisch gegenereerde signalen die ze zullen opnemen, zei Wang.

Deze piëzotronische geheugenelementen bieden een ander onderdeel dat nodig is voor het fabriceren van complete zelfaangedreven nano-elektromechanische systemen (NEMS) op een enkele chip. Wang's onderzoeksteam heeft al andere belangrijke elementen aangetoond, zoals nanogeneratoren, sensoren en draadloze zenders.

“We zetten een nieuwe stap in de richting van het doel van zelfaangedreven complete systemen, ’ zei Wang. “De uitdaging is nu om ze klein genoeg te maken om op één chip te integreren. We geloven dat deze systemen belangrijke problemen in het leven van mensen zullen oplossen.”

Wang gelooft dat dit nieuwe geheugen steeds belangrijker zal worden naarmate apparaten nauwer verbonden raken met individuele menselijke activiteiten. De mogelijkheid om deze apparaten op flexibele substraten te bouwen, betekent dat ze in het lichaam kunnen worden gebruikt - en met andere elektronische apparaten die nu worden gebouwd op materialen die geen traditioneel silicium zijn.

“Naarmate computers en andere elektronische apparaten persoonlijker en menselijker worden, we zullen nieuwe soorten signalen moeten ontwikkelen, het koppelen van mechanische acties aan elektronica, ' zei hij. "Piëzo-elektrische materialen bieden de meest gevoelige manier om deze zachte mechanische acties om te zetten in elektronische signalen die door elektronische apparaten kunnen worden gebruikt."