Resistive kontakter baseret på piezoelektriske nanotråde tillader elektriske signaler at blive produceret fra mekaniske påvirkninger

(PhysOrg.com) -- Udnytter de unikke egenskaber ved zinkoxid nanotråde, forskere har demonstreret en ny type piezoelektrisk resistiv switching-enhed, hvor skrive-læseadgang til hukommelsesceller styres af elektromekanisk modulation. Arbejder på fleksible underlag, arrays af disse enheder kunne give en ny måde at grænseflade de mekaniske handlinger i den biologiske verden til konventionelle elektroniske kredsløb.

De piezoelektrisk modulerede resistive memory (PRM) enheder drager fordel af det faktum, at modstanden af ​​piezoelektriske halvledende materialer såsom zinkoxid (ZnO) kan styres gennem påføring af belastning fra en mekanisk handling. Ændringen i modstand kan detekteres elektronisk, giver en enkel måde at opnå et elektronisk signal fra en mekanisk handling.

"Vi kan levere grænsefladen mellem biologi og elektronik, " sagde Zhong Lin Wang, Regents professor ved School of Materials Science and Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Denne teknologi, som er baseret på zinkoxid nanotråde, tillader kommunikation mellem en mekanisk handling i den biologiske verden og konventionelle enheder i den elektroniske verden. ”

Forskningen blev rapporteret online 22. juni i tidsskriftet Nano Letters. Arbejdet blev sponsoreret af Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), National Science Foundation (NSF), det amerikanske luftvåben og det amerikanske energiministerium.

I konventionelle transistorer, strømmen af ​​strøm mellem en kilde og et dræn styres af en gate-spænding påført enheden. Denne gate-spænding bestemmer, om enheden er tændt eller slukket.

De piezotroniske hukommelsesenheder udviklet af Wang og kandidatstuderende Wenzhuo Wu udnytter det faktum, at piezoelektriske materialer som zinkoxid producerer et ladningspotentiale, når de deformeres mekanisk eller på anden måde belastes. Disse PRM-enheder bruger den piezoelektriske ladning, der skabes af deformationen, til at styre strømmen, der strømmer gennem zinkoxid-nanotrådene, som er kernen i enhederne - det grundlæggende princip for piezotronik. Opladningen skaber polaritet i nanotråde - og øger den elektriske modstand ligesom portspænding i en konventionel transistor.

"Vi erstatter påføringen af ​​en ekstern spænding med produktionen af ​​en intern spænding, ” forklarede Wang. "Fordi zinkoxid både er piezoelektrisk og halvledende, når du belaster materialet med en mekanisk handling, du skaber et piezopotentiale. Dette piezopotentiale tuner ladningstransporten hen over grænsefladen – i stedet for at styre kanalbredden som i konventionelle felteffekttransistorer."

Den mekaniske belastning kunne komme fra mekaniske aktiviteter så forskellige som at skrive et navn med en pen, bevægelsen af ​​en aktuator på en nanorobot, eller biologiske aktiviteter i den menneskelige krop, såsom et hjerteslag.

"Vi styrer ladningsstrømmen over grænsefladen ved hjælp af belastning, ” forklarede Wang. "Hvis du ikke har nogen belastning, ladningen flyder normalt. Men hvis du påfører en belastning, den resulterende spænding bygger en barriere, der styrer strømmen. ”

Den piezotroniske kobling påvirker strømmen, der flyder i kun én retning, afhængigt af, om belastningen er træk- eller trykfast. Det betyder, at hukommelsen, der er lagret i de piezotroniske enheder, har både et tegn og en størrelse. Informationen i denne hukommelse kan læses, behandles og opbevares ved hjælp af konventionelle elektroniske midler.

Ved at drage fordel af storskala fremstillingsteknikker til zinkoxid-nanowire-arrays, Georgia Tech-forskerne har bygget ikke-flygtige resistive switching-hukommelser til brug som et lagermedium. De har vist, at disse piezotroniske enheder kan skrives, at information kan læses fra dem, og at de kan slettes til genbrug. Omkring 20 af arrays er indtil videre blevet bygget til test.

Zinkoxid nanotrådene, som er omkring 500 nanometer i diameter og omkring 50 mikron lange, fremstilles med en fysisk dampaflejringsproces, der bruger en højtemperaturovn. De resulterende strukturer behandles derefter med oxygenplasma for at reducere antallet af krystallinske defekter - hvilket hjælper med at kontrollere deres ledningsevne. Arrayerne overføres derefter til et fleksibelt substrat.

"Switchspændingen kan indstilles, afhængigt af antallet af ilt ledige pladser i strukturen, " sagde Wang. "Jo flere defekter du slukker med iltplasmaet, jo større spænding vil der kræves for at drive strømstrømmen."

De piezotroniske hukommelsesceller fungerer ved lave frekvenser, som er passende for den slags biologisk genererede signaler, de vil optage, sagde Wang.

Disse piezotroniske hukommelseselementer giver en anden komponent, der er nødvendig for at fremstille komplette selvdrevne nanoelektromekaniske systemer (NEMS) på en enkelt chip. Wangs forskerhold har allerede demonstreret andre nøgleelementer såsom nanogeneratorer, sensorer og trådløse sendere.

"Vi tager endnu et skridt mod målet om selvdrevne komplette systemer, " sagde Wang. "Udfordringerne nu er at gøre dem små nok til at blive integreret på en enkelt chip. Vi tror på, at disse systemer vil løse vigtige problemer i menneskers liv."

Wang mener, at denne nye hukommelse vil blive stadig vigtigere, efterhånden som enheder bliver tættere forbundet med individuelle menneskelige aktiviteter. Evnen til at bygge disse enheder på fleksible substrater betyder, at de kan bruges i kroppen - og med andre elektroniske enheder, der nu bygges på materialer, der ikke er traditionel silicium.

”Efterhånden som computere og andre elektroniske enheder bliver mere personlige og menneskelignende, vi bliver nødt til at udvikle nye typer signaler, grænseflade mellem mekaniske handlinger og elektronik, " sagde han. "Piezoelektriske materialer giver den mest følsomme måde at oversætte disse blide mekaniske handlinger til elektroniske signaler, der kan bruges af elektroniske enheder."