Met behulp van bundels verticale zinkoxide nanodraden, onderzoekers hebben arrays van piëzotronische transistors gefabriceerd die in staat zijn om mechanische beweging direct om te zetten in elektronische stuursignalen. De arrays kunnen robots een meer adaptieve tastzin geven, zorgen voor een betere beveiliging van handgeschreven handtekeningen en bieden nieuwe manieren voor mensen om met elektronische apparaten om te gaan.

De arrays omvatten meer dan 8, 000 werkende piëzotronische transistors, die elk onafhankelijk een elektronisch stuursignaal kunnen produceren wanneer ze onder mechanische belasting worden geplaatst. Deze aanraakgevoelige transistors - "taxels" genoemd - zouden aanzienlijke verbeteringen kunnen opleveren in de resolutie, gevoeligheid en actieve/adaptieve operaties in vergelijking met bestaande technieken voor tactiele sensing. Hun gevoeligheid is vergelijkbaar met die van een menselijke vingertop.

De verticaal uitgelijnde taxels werken met transistors met twee aansluitingen. In plaats van een derde poortaansluiting die door conventionele transistors wordt gebruikt om de stroom die er doorheen gaat te regelen, taxels regelen de stroom met een techniek die 'strain-gating' wordt genoemd. Strain-gating op basis van het piëzotronische effect maakt gebruik van de elektrische ladingen die worden gegenereerd op de Schottky-contactinterface door het piëzo-elektrische effect wanneer de nanodraden onder spanning worden geplaatst door de toepassing van mechanische kracht.

Het onderzoek wordt op 25 april gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschap online, bij de Wetenschap Express website, en zal worden gepubliceerd in een latere versie van het gedrukte tijdschrift Wetenschap .

"Elke mechanische beweging, zoals de beweging van armen of de vingers van een robot, kan worden vertaald naar stuursignalen, " legde Zhong Lin Wang uit, een Regents' professor en Hightower Chair in de School of Materials Science and Engineering aan het Georgia Institute of Technology. "Dit zou de kunstmatige huid slimmer kunnen maken en meer op de menselijke huid gaan lijken. Het zou de huid in staat stellen om activiteit op het oppervlak te voelen."

Het elektronisch nabootsen van de tastzin was een uitdaging, en wordt nu gedaan door veranderingen in weerstand te meten die worden veroorzaakt door mechanische aanraking. De apparaten die door de Georgia Tech-onderzoekers zijn ontwikkeld, zijn gebaseerd op een ander fysiek fenomeen:kleine polarisatieladingen die worden gevormd wanneer piëzo-elektrische materialen zoals zinkoxide worden verplaatst of onder spanning worden geplaatst. In de piëzotronische transistoren, de piëzo-elektrische ladingen regelen de stroom door de draden, net zoals poortspanningen dat doen in conventionele transistors met drie aansluitingen.

De techniek werkt alleen in materialen die zowel piëzo-elektrische als halfgeleidende eigenschappen hebben. Deze eigenschappen worden gezien in nanodraden en dunne films gemaakt van de wurtziet- en zinkmengselfamilies van materialen, waaronder zinkoxide, galliumnitride en cadmiumsulfide.

In hun laboratorium, Wang en zijn co-auteurs - postdoctoraal fellow Wenzhuo Wu en afgestudeerd onderzoeksassistent Xiaonan Wen - fabriceerden arrays van 92 bij 92 transistors. De onderzoekers gebruikten een chemische groeitechniek bij ongeveer 85 tot 90 graden Celsius, waardoor ze arrays van spanningsafhankelijke verticale piëzotronische transistors konden fabriceren op substraten die geschikt zijn voor micro-elektronicatoepassingen. De transistors zijn opgebouwd uit bundels van ongeveer 1, 500 individuele nanodraden, elke nanodraad tussen 500 en 600 nanometer in diameter.

In de array-apparaten, de actieve spanningsafhankelijke verticale piëzotronische transistors zijn ingeklemd tussen de boven- en onderelektroden gemaakt van indiumtinoxide, uitgelijnd in orthogonale dwarsbalkconfiguraties. Een dunne laag goud wordt afgezet tussen de boven- en onderkant van de zinkoxide nanodraden en de boven- en onderelektroden, het vormen van Schottky-contacten. Een dunne laag van het polymeer Paryleen wordt vervolgens als een vocht- en corrosiebarrière op het apparaat aangebracht.

De arraydichtheid is 234 pixels per inch, de resolutie is beter dan 100 micron, en de sensoren zijn in staat om drukveranderingen tot 10 kilopascal te detecteren - resolutie vergelijkbaar met die van de menselijke huid, zei Wang. De Georgia Tech-onderzoekers fabriceerden enkele honderden van de arrays tijdens een onderzoeksproject dat bijna drie jaar duurde.

De arrays zijn transparant, waardoor ze kunnen worden gebruikt op touchpads of andere apparaten voor het nemen van vingerafdrukken. Ze zijn ook flexibel en opvouwbaar, uitbreiding van het aantal mogelijke toepassingen.

Onder de mogelijke toepassingen:

• Multidimensionale handtekeningopname, waarin niet alleen de afbeeldingen van de handtekening zouden worden opgenomen, maar ook de druk die op elke locatie wordt uitgeoefend tijdens het maken van de handtekening, en de snelheid waarmee de handtekening wordt gemaakt.
• Shape-adaptive sensing waarbij een verandering in de vorm van het apparaat wordt gemeten. Dit zou nuttig zijn in toepassingen zoals kunstmatige/prothetische huid, slimme biomedische behandelingen en intelligente robotica waarbij de arrays zouden voelen wat ermee in contact was.
• Actieve tactiele detectie waarbij de fysiologische werking van mechanoreceptoren van biologische entiteiten zoals haarzakjes of de haren in het slakkenhuis worden nagebootst.

Omdat de arrays zouden worden gebruikt in toepassingen in de echte wereld, de onderzoekers evalueerden hun duurzaamheid. De apparaten werkten nog steeds na 24 uur ondergedompeld in zowel zout als gedestilleerd water.

Toekomstig werk omvat het produceren van de taxel-arrays van enkele nanodraden in plaats van bundels, en het integreren van de arrays op CMOS-siliciumapparaten. Het gebruik van enkele draden zou de gevoeligheid van de arrays met ten minste drie ordes van grootte kunnen verbeteren, zei Wang.

"Dit is een fundamenteel nieuwe technologie waarmee we elektronische apparaten rechtstreeks kunnen bedienen met behulp van mechanische agitatie, Wang voegde eraan toe. "Dit kan op een breed scala van gebieden worden gebruikt, inclusief robotica, MEMS, mens-computer interfaces en andere gebieden die mechanische vervorming met zich meebrengen."