Tilpassede siliciummikropartikler omkonfigureres dynamisk efter behov

Forskere ved Duke University og North Carolina State University har demonstreret de første tilpassede halvledermikropartikler, der kan styres ind i forskellige konfigurationer gentagne gange, mens de er suspenderet i vand.

Med de første seks tilpassede partikler, der forudsigeligt interagerer med hinanden i nærvær af elektriske vekselstrømfelter (AC) med varierende frekvenser, undersøgelsen præsenterer de første skridt mod at realisere avancerede applikationer såsom kunstige muskler og rekonfigurerbare computersystemer.

Undersøgelsen vises online den 3. maj i tidsskriftet Naturkommunikation .

"Vi har konstrueret og kodet flere dynamiske reaktioner i forskellige mikropartikler for at skabe en rekonfigurerbar siliciumværktøjskasse, " sagde Ugonna Ohiri, en nyligt uddannet elektroingeniørdoktorand fra Duke og førsteforfatter til papiret. "Ved at tilvejebringe et middel til kontrollerbar at samle og adskille disse partikler, vi bringer et nyt værktøj til området aktivt stof."

Mens tidligere forskere har arbejdet med at definere selvsamlende systemer, få har arbejdet med halvlederpartikler, og ingen har udforsket det brede udvalg af tilpassede former, størrelser og belægninger, der er tilgængelige for mikro- og nanofabrikationsindustrien. Tekniske partikler fra silicium giver mulighed for fysisk at realisere elektroniske enheder, der kan selvmontere og skille ad efter behov. Tilpasning af deres former og størrelser giver muligheder for at udforske et vidtspændende designrum af ny bevægelig adfærd.

"Det meste tidligere arbejde udført med selvsamlende partikler er blevet udført med former som kugler og andre hyldematerialer, " sagde Nan Jokerst, J. A. Jones professor i elektro- og computerteknik ved Duke. "Nu hvor vi kan tilpasse hvilke som helst vilkårlige former, elektriske egenskaber og mønstrede belægninger vi ønsker med silicium, en helt ny verden åbner sig."

I undersøgelsen, Jokerst og Ohiri fremstillede siliciumpartikler af forskellige former, størrelser og elektriske egenskaber. I samarbejde med Orlin Velev, INVISTA professor i kemisk og biomolekylær teknik ved NC State, de karakteriserede, hvordan disse partikler reagerede på forskellige størrelser og frekvenser af elektriske felter, mens de var nedsænket i vand.

Baseret på disse observationer, forskerne fremstillede derefter nye partier af skræddersyede partikler, der sandsynligvis ville udvise den adfærd, de ledte efter, resulterer i seks forskellige konstruerede siliciummikropartikelsammensætninger, der kunne bevæge sig gennem vand, synkronisere deres bevægelser, og reversibelt samle og skille ad efter behov.

Tyndfilmspartiklerne er 10 mikron gange 20 mikron rektangler, der er 3,5 mikron tykke. De er fremstillet ved hjælp af Silicon-on-Insulator (SOI) teknologi. Da de kan fremstilles ved hjælp af den samme fremstillingsteknologi, der producerer integrerede kredsløb, millioner af identiske partikler kunne produceres ad gangen.

"Ideen er, at vi i sidste ende vil være i stand til at lave siliciumberegningssystemer, der samler, adskille og derefter samle i et andet format, sagde Jokerst. Det er langt ude i fremtiden, men dette arbejde giver en fornemmelse af de muligheder, der er derude, og er den første demonstration af, hvordan vi kan opnå den slags enheder."

Det er, imidlertid, kun toppen af ​​det legendariske isbjerg. Nogle af partiklerne blev fremstillet med både p-type og n-type områder for at skabe p-n-forbindelser - almindelige elektriske komponenter, der tillader elektricitet at passere i kun én retning. Små metalmønstre blev også placeret på partiklernes overflader for at skabe pn-forbindelsesdioder med kontakter. I fremtiden, forskere kunne endda konstruere partikler med mønstre ved hjælp af andre elektrisk ledende eller isolerende materialer, komplekse integrerede kredsløb, eller mikroprocessorer på eller inden i siliciumet.

"Dette arbejde er blot et lille øjebliksbillede af de værktøjer, vi har til at kontrollere partikeldynamikken, " sagde Ohiri. "Vi har ikke engang ridset overfladen af ​​al den adfærd, vi kan konstruere, men vi håber, at denne tværfaglige undersøgelse kan være banebrydende for fremtidige studier til at designe kunstige aktive materialer."