Raziskovalci z Georgia Institute of Technology so razvili novo vrsto elektronske logike, v kateri se tok vklaplja z električnim poljem, ki nastane z mehansko obremenitvijo nanožic iz cinkovega oksida.
Naprave, ki vsebujejo tranzistorje in diode se lahko uporabijo v nanometrski robotika, nano-elektromehanskih sistemih (NEMS), mikro-elektromehanskih sistemih (MEMS) in mikrofluidnih napravah. Mehansko delovanje, ki povzroči obremenitev je lahko preprosta tipka, pretok tekočine, raztezanje mišic ali gibanje robotske komponente.
V tradicionalnih tranzistorjih z učinkom polja (FET) pretok električnega toka skozi polprevodnik upravljamo s stikali, ki jih upravljamo z električnim poljem na »vratih«. Nova logična vezja namesto uporabe električnih signalov, ustvarijo električno polje za preklop z mehansko deformacijo nanožic cinkovega oksida. Deformacija ustvarja mehanske napetosti v nanožicah, ki zato ustvarjajo električno polje zaradi piezoelektričnega pojava – v nekaterih materialih s kristalno strukturo namreč nastane električni naboj, kadar so izpostavljeni mehanskim obremenitvam.
Raziskovalci z Georgia Tech School merijo rezultate na piezo-fototronskem elementu, kjer z laserjem spreminjajo prevodnost kovinskega kontakta, ki je pritrjen na strukturo cinkovega oksida. (Slika: Gary Meek)
»Ko smo obremenili nanožico, ki je bila nameščena med dvema kovinskima elektrodama, smo ustvarili dovolj močno polje, da ga lahko uporabimo kot napetost za krmiljenje vrat,« je dejal Zhong Lin Wang, profesor na Georgia Tech School of Materials Science and Engineering . »Takšno vezje bi omogočilo povezovanje mehanskega delovanja z elektroniko in je lahko osnova za novo obliko logičnih vezij, ki bi uporabljala piezoelektrični potencial namesto napetosti na krmilnih vratih.«
Wang, ki je objavil serijo člankov o vezjih v revijah kot so Nano Letters, Advanced Materials in Applied Phisics Letters, to novo vrsto nanometrskih komponent imenuje »piezotronics«, ker uporabljajo piezoelektrični potencial za nastavitev toka procesov v polprevodnikih. Nove komponete se opirajo na edinstvene lastnosti nanostruktur iz cinkovega oksida, ki so istočasno lahko polprevodniške in piezoelektrične.
Tranzistorje in diode, ki so dodani družini nanovezij, ki so jih razvili Wang in njegova raziskovalna skupina, bi se lahko vgradili v sisteme, pri katerih vse komponente temeljijo na istem materialu – cinkovem oksidu. Raziskovalci so že napovedali razvoj nanometrskih generatorjev, ki bi proizvajali napetost s spremembo mehanskega gibanja iz okolja in nanowire senzorjev za merjenje pH in odkrivanje ultravijolične svetlobe.
»Družine komponent, ki jih razvijamo, lahko združimo za ustvarjanje avtonomnih in inteligentnih nano sistemov, z lastnim napajanjem » je dejal Wang. »Ustvarimo lahko kompleksne sisteme, ki v celoti temeljijo na nanožicah iz cinkovega oksida in imajo spomin, sposobnosti zaznavanja in procesiranja in jih poganja električna energija, ki jo dobimo iz okolice.«
Z uporabo tranzistorjev, pri katerih krmilimo vrata z mehansko deformacijo nanožic in so vgrajeni na gibljiv substrat polimera, so raziskovalci prikazali osnovne logične operacije – vključno z NOR, XOR in NAND vrati in funkciji multiplekserja in demultiplekserja funkcij – preprosto z različnimi vrstami obremenitve nanožic cinkovega oksida. Izdelali so tudi inverter in to tako, da so namestili nova tranzistorja z vgrajenimi nanožicami na obeh straneh prožnega substrata »Če za osnovni gradnik uporabimo tranzistor, ki ga prožimo z mehansko silo, lahko zgradimo zapleteno logiko,« Wang dodal. »To je sploh prvič, da se mehansko delovanje uporablja za ustvarjanje logičnih operacij.«
Tranzistor z mehanskim proženjem je izdelan iz ene same nanožice iz cinkovega oksida, ki je s svojima koncema (drain in source elektrodi) pritrjena na prožni substrat iz polimera s kovinskimi kontakti. Upogibanje te žice obrne njihovo polariteto, kot se spreminja mehanska sila iz tlačne k natezni. Te komponente delujejo pri nizkih frekvencah – takšnih, ki jih lahko povzročijo človeške interakcije in zunanje okolje – in niso primerljivi s hitrostmi tradicionalnih CMOS tranzistorjev v običajnih aplikacijah. Komponente se odzovejo celo na zelo majhne mehanske sile, opozarja Wang.
Georgia Tech group lahko sedaj nadzorujejo prevodnost v nanoelemetih iz cinkovega oksida z uporabo osvetljevanja z laserjem, ki izkorišča prednost edinstvene lastnosti materiala foto-vzbujanje. Ko ultravijolična svetloba iz laserja udari kovinski kontakt, ki je pritrjen na strukturo cinkovega oksida, s tem ustvari par elektron-vrzel, ki spremeni višino Schottky bariere na stiku cinkovega oksida in kovine. Ta lastnost laserskih emisij, da lahko spreminja prevodnostne karakteristike, se lahko uporablja skupaj s spremembami pri mehanskih obremenitvah, s čimer zagotovimo bolj natančen nadzor nad prevodnimi zmogljivostmi naprave.
»Laser izboljšuje prevodnost strukture,« opozarja Wang. »Učinek laserja je ravno nasproten piezoelektričnemu pojavu. Učinek laserja zmanjšuje višino bariere, medtem ko piezoelektrični pojav poveča višino bariere.« Wang je imenoval te nove komponente »piezo-phototronic«, saj so izdelane s spajanjem piezoelektričnih lastnosti, vzbujanjem fotona in imajo polprevodniške lastnosti.
Raziskovalna skupina je ustvarila tudi hibridna logična vezja, ki uporabljajo nanožice cinkovega oksida za nadzor gibanja toka skozi enostenske ogljikove nanocevke. Nanocevk, ki so jih izdelali raziskovalci na univerzi Duke, so lahko P-tipa ali N-tipa. »Naše delo v zvezi s tranzistorji, ki se prožijo mehansko nudi nov pristop k logičnim operacijam, ki opravlja mehansko-električne aktivnosti v eni strukturni enoti in z enim samim materialom,« opozarja Wang. »Ti tranzistorji lahko zagotovijo nove procesne in pomnilniške zmogljivosti v zelo majhnih in prenosnih napravah.«
Nova nano piezoelektrična logična vezja
2010_SE180_16
