Piezotronics:Forskere skaber ny klasse af piezoelektriske logiske enheder ved hjælp af zinkoxid nanotråde

Forskere ved Georgia Institute of Technology har udviklet en ny klasse af elektronisk logisk enhed, hvor strømmen skiftes af et elektrisk felt genereret ved påføring af mekanisk belastning på zinkoxid-nanotråde.

Enheder, som omfatter transistorer og dioder, kunne bruges i nanometerskala robotteknologi, nano-elektromekaniske systemer (NEMS), mikro-elektromekaniske systemer (MEMS) og mikrofluidiske enheder. Den mekaniske handling, der bruges til at starte belastningen, kunne være så simpel som at trykke på en knap, eller skabes ved strømmen af ​​en væske, strækning af muskler eller bevægelse af en robotkomponent.

I traditionelle felteffekttransistorer, et elektrisk felt skifter - eller "porter" - strømmen af ​​elektrisk strøm gennem en halvleder. I stedet for at bruge et elektrisk signal, de nye logiske enheder skaber koblingsfeltet ved mekanisk at deformere zinkoxid nanotråde. Deformationen skaber spænding i nanotrådene, generere et elektrisk felt gennem den piezoelektriske effekt - som skaber elektrisk ladning i visse krystallinske materialer, når de udsættes for mekanisk belastning.

"Når vi påfører en belastning på en nanotråd placeret på tværs af to metalelektroder, vi skaber et felt, som er stærk nok til at tjene som portspænding, " sagde Zhong Lin Wang, en Regents-professor ved Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Denne type enhed ville gøre det muligt at forbinde mekanisk handling med elektronik, og kunne være grundlaget for en ny form for logisk enhed, der bruger det piezoelektriske potentiale i stedet for en gate-spænding."

Wang, der har publiceret en række artikler om apparaterne i sådanne tidsskrifter som Nano bogstaver , Avancerede materialer og Anvendt fysik bogstaver , kalder denne nye klasse af enheder i nanometerskala "piezotronics", fordi de bruger piezoelektrisk potentiale til at tune og gate ladningstransportprocessen i halvledere. Enhederne er afhængige af de unikke egenskaber ved zinkoxidnanostrukturer, som både er halvledende og piezoelektriske.

Transistorerne og dioderne tilføjer familien af ​​nanoenheder udviklet af Wang og hans forskerhold, og kunne kombineres til systemer, hvor alle komponenter er baseret på det samme zinkoxidmateriale. Forskerne har tidligere annonceret udvikling af generatorer i nanometerskala, der producerer en spænding ved at konvertere mekanisk bevægelse fra omgivelserne, og nanotrådssensorer til måling af pH og detektering af ultraviolet lys.

"Familien af ​​enheder, vi har udviklet, kan slås sammen for at skabe selvdrevne, autonome og intelligente nanoskalasystemer, " Wang sagde. "Vi kan skabe komplekse systemer, der er fuldstændig baseret på zinkoxid nanotråde, der har hukommelse, forarbejdning, og sansefunktioner drevet af elektrisk energi, der er fjernet fra miljøet."

Ved at bruge strain-gatede transistorer fremstillet på et fleksibelt polymersubstrat, forskerne har demonstreret grundlæggende logiske operationer - herunder NOR, XOR- og NAND-gates og multiplexer/demultiplexer-funktioner - ved blot at påføre forskellige typer af belastning på zinkoxid-nanotrådene. De har også skabt en inverter ved at placere strain-gatede transistorer på begge sider af et fleksibelt substrat.

"Ved at bruge den strain-gatede transistor som en byggesten, vi kan bygge kompliceret logik, " tilføjede Wang. "Dette er første gang, at en mekanisk handling er blevet brugt til at skabe en logisk operation."

En strain-gated transistor er lavet af en enkelt zinkoxid nanotråd med dens to ender - source- og drænelektroderne - fastgjort til et polymersubstrat med metalkontakter. Bøjning af enhederne vender deres polaritet, da belastningen skifter fra tryk til træk på modsatte sider.

Enhederne fungerer ved lave frekvenser - den slags skabt af menneskelig interaktion og det omgivende miljø - og ville ikke udfordre traditionelle CMOS-transistorer for hastighed i konventionelle applikationer. Enhederne reagerer på meget små mekaniske kræfter, Wang bemærkede.

Georgia Tech-gruppen har også lært at kontrollere ledningsevnen i zinkoxid-nanoenheder ved hjælp af laseremissioner, der drager fordel af materialets unikke foto-excitationsegenskaber. Når ultraviolet lys fra en laser rammer en metalkontakt fastgjort til en zinkoxidstruktur, det skaber elektron-hul-par, som ændrer højden af ​​Schottky-barrieren ved zinkoxid-metal-kontakten.

Disse konduktivitetsændrende karakteristika for laseremissionerne kan bruges sammen med ændringer i mekanisk belastning for at give mere præcis kontrol over en enheds ledningsevne.

"Laseren forbedrer strukturens ledningsevne, " Wang bemærkede. "Lasereffekten er i modsætning til den piezoelektriske effekt. Lasereffekten reducerer barrierehøjden, mens den piezoelektriske effekt øger barrierehøjden."

Wang har kaldt disse nye enheder fremstillet ved at koble piezoelektriske, fotonexcitation og halvlederegenskaber "piezo-fototroniske" enheder.

Forskergruppen har også skabt hybride logiske enheder, der bruger zinkoxidnanotråde til at styre strøm, der bevæger sig gennem enkeltvæggede kulstofnanorør. Nanorørene, som blev produceret af forskere ved Duke University, kan enten være p-type eller n-type.

Forskningen er blevet støttet af National Science Foundation (NSF), Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), og det amerikanske energiministerium (DOE). Ud over Wang, forskerholdet omfatter Wenzhuo Wu, Yaguang Wei, Youfan Hu, Weihua Liu, Minbæk Lee, Yan Zhang, Yanling Chang, Shu Xiang, Lei Ding, Jie Liu og Robert Snyder.

"Vores arbejde med strain-gatede enheder giver en ny tilgang til logiske operationer, der udfører mekanisk-elektriske handlinger i en strukturel enhed ved hjælp af et enkelt materiale, " Wang bemærkede. "Disse transistorer kunne give nye behandlings- og hukommelseskapaciteter i meget små og bærbare enheder."