Push-Button Logic på nanoskalaen

(PhysOrg.com)-Kredsløb, der kan udføre logiske operationer med et tryk på en knap, er en krone i dusin i disse dage, men et gennembrud af forskere i USA har betydet, at de kan være mindre og enklere end nogensinde før. Brug af et enkelt materiale som både knappen og kredsløbet for første gang, forskere ved Georgia Institute of Technology har skabt små logiske kredsløb, der kan bruges som grundlag for nanometer-skala robotik og processorer.

Professor Zhong Lin (ZL) Wang, der leder forskningen, forklarer, hvordan de særlige egenskaber ved zinkoxid har gjort dette arbejde muligt. "Zinkoxid er unikt på grund af dets koblede piezoelektriske og halvlederegenskaber." Den piezoelektriske effekt opstår når en belastning af et materiale, forårsaget af at skubbe på den for eksempel, ændrer krystalstrukturen reversibelt i en retning nok til at lave et elektrisk felt.

Den mekaniske bevægelse inducerer en spænding fra den ene side af materialet til den anden. Halvledere har evnen til at lede elektricitet, eller ikke, afhængig af en ekstern faktor. I zinkoxid, disse to egenskaber kombineres, og transporten af ​​elektrisk strøm påvirkes af den piezoelektriske effekt, hvilket betyder, at ændringer i belastning resulterer i ændringer i materialets evne til at lede elektricitet. Dette er det, der er kendt som den piezotroniske effekt.

Ved at have zinkoxidet i form af en nanotråd, (diameter 300 nanometer; længde 400 mikrometer), og bundet til metaller i hver ende, Wang har effektivt produceret en lille transistor, som er lukket (åben eller lukket, med elektricitet, der enten flyder eller ej) af belastningen påført nanotråden.

I resultater offentliggjort i Avancerede materialer denne uge, Wang og hans kolleger viser hvordan ved at kombinere et passende antal af disse transistorer i forskellige arrangementer, systemer kan laves, der kan behandle de grundlæggende logiske funktioner i NAND, HELLER IKKE, og XOR, samt fungere som multiplexere (MUX) og demultiplexorer (DEMUX).

Indtil nu, logiske processorer har stolet på brugen af ​​CMOS -teknologi, ved hjælp af to komplementære komponenter, et metaloxid og en halvleder, såsom silicium. I CMOS -processorer, et elektrisk signal er påkrævet for at betjene porten. Hvis en mekanisk stimulering er påkrævet, endnu en komponent skal tilføjes til systemet. Derimod, Wang hævder, at hans arbejde repræsenterer en "helt ny tilgang til logisk drift, der udfører mekanisk-elektriske koblede og kontrollerede handlinger i en strukturenhed ved hjælp af et enkelt materiale (som er zinkoxid) ... Dette er den allerførste demonstration af mekanisk handling-induceret elektronisk drift med introduktionen af ​​en ny drivmekanisme i sammenligning med eksisterende siliciumbaserede logiske operationer. Dette er også den første demonstration af sin art ved hjælp af nanotråde. ”

At arbejde i nanoskala giver sine egne udfordringer, og de vanskeligste dele af dette arbejde var at syntetisere nanotråde af høj kvalitet og manipulere dem på underlaget, så de ville fungere synkroniseret. Men Wang er nu overbevist om, at de har opnået en god kontrol over processen, og resultaterne vidner om, at dette er tilfældet.

De logiske kredsløb er ikke så hurtige som dem, der i øjeblikket er i brug og baseret på CMOS, men Wang ser ikke dette som et problem. Faktisk, han ser anvendelserne af de to teknologier som komplementære. “De stamme-lukkede logiske enheder er designet til at grænseflade med det omgivende miljø, som er forbundet med lavfrekvente mekaniske handlinger, og applikationer til mål og målretning er forskellige fra dem for konventionelle siliciumenheder, der sigter mod hastighed. ” Påtænkte applikationer omfatter nanorobotik, transducere, mikromaskiner, grænseflade mellem mennesker og computere, og mikrofluidik (hvor små kanaler transporterer forskellige væsker, normalt blandet til reaktionstæt kontrollerede måder).

Gruppen har til hensigt at slutte sig til de nye stamgatede transducere til sensorer og energitegningskomponenter, de tidligere også har forberedt fra nanotråde af zinkoxid for at gøre "selvbærende, alt-nanotrådbaseret, multifunktionelle selvdrevne autonome intelligente nanoskala-systemer. ” Det ser ud til, at vi ikke engang skal trykke på en knap mere.