Forsvindende carbonkredsløb på grafen kan have sikkerhed, biomedicinske anvendelser

I tv -dramaet "Mission Impossible, "instruktioner til missionen blev leveret på et lydbånd, der ødelagde sig selv umiddelbart efter at det blev spillet. Skulle den serie nogensinde blive genoplivet, dets producenter vil måske tale med professor i Georgia Institute of Technology Andrei Fedorov om at bruge sine "forsvindende kredsløb" til at levere instruktionerne.

Ved hjælp af kulstofatomer afsat på grafen med en fokuseret elektronstråleproces, Fedorov og samarbejdspartnere har demonstreret en teknik til at skabe dynamiske mønstre på grafenoverflader. Mønstrene kunne bruges til at lave rekonfigurerbare elektroniske kredsløb, som udvikler sig over en periode på timer, før de i sidste ende forsvinder til en ny elektronisk tilstand af grafen. Grafen består også af kulstofatomer, men i en meget ordnet form.

Rapporteret i journalen Nanoskala , forskningen blev primært støttet af U.S. Department of Energy Office of Science, og involverede samarbejde med forskere fra Air Force Research Laboratory (AFRL), støttet af Air Force Office of Scientific Research. Udover at tillade fremstilling af forsvindende kredsløb, teknologien kunne bruges som en form for tidsfremgivelse, hvor spredningen af ​​kulstofmønstre kunne kontrollere andre processer, såsom frigivelse af biomolekyler.

"Vi vil nu kunne tegne elektroniske kredsløb, der udvikler sig over tid, "sagde Andrei Fedorov, en professor i George W. Woodruff School of Mechanical Engineering ved Georgia Tech. "Du kan designe et kredsløb, der fungerer på en måde nu, men efter at have ventet en dag på, at kulstoffet skulle diffundere over grafenoverfladen, du ikke længere ville have en elektronisk enhed. I dag ville enheden gøre en ting; i morgen ville det gøre noget helt andet. "

Projektet begyndte som en måde at rydde op i kulbrinter, der forurenede overfladen af ​​grafen. Men forskerne indså hurtigt, at de kunne bruge det til at skabe mønstre, udnytter det amorfe carbon produceret via elektronstråle "skrivning" som et dopemiddel til at skabe negativt ladede sektioner af grafen.

Forskerne var oprindeligt forvirrede over at opdage, at deres nydannede mønstre forsvandt over tid. De brugte elektroniske målinger og atomkraftmikroskopi til at bekræfte, at kulstofmønstrene havde bevæget sig på grafenoverfladen for i sidste ende at danne en ensartet dækning over en hel grafenoverflade. Ændringen sker normalt over titalls timer, og i sidste ende konverterer positivt ladede (p-dopede) overfladeregioner til overflader med en ensartet negativ ladning (n-dopet), mens der dannes et mellemliggende p-n-forbindelsesdomæne i løbet af denne udvikling.

"De elektroniske strukturer ændrer sig løbende over tid, "Forklarer Fedorov." Det giver dig en rekonfigurerbar enhed, især da vores carbonaflejring sker uden brug af bulkfilm, men derimod en elektronstråle, der bruges til at tegne, hvor du vil have et negativt dopet domæne til at eksistere. "

Grafen består af carbonatomer arrangeret i et tæt gitter. Den unikke struktur giver attraktive elektroniske egenskaber, der har ført til omfattende undersøgelse af grafen som et potentielt nyt materiale til avancerede elektronikapplikationer.

Men grafen består stadig af kulstofatomer, og når mønstre deponeres på overfladen med almindelige kulstofatomer, de begynder langsomt at migrere over grafenoverfladen. Hastigheden, hvormed atomerne bevæger sig rundt, kan justeres ved at variere temperaturen eller ved at fremstille strukturer, der styrer atomernes bevægelse. Kulstofatomerne kan også "fryses" til et fast mønster ved hjælp af en laser til at omdanne dem til grafit - en anden form for kulstof.

"Der er flere måder at modulere den dynamiske tilstand på, ved at ændre temperaturen, fordi det styrer diffusionshastigheden af ​​kulstof, ved at styre atomstrømmen, eller ved at ændre kulstoffasen, "Fedorov sagde." Kullet, der afsættes gennem den fokuserede elektronstråleinducerede aflejringsproces (FEBID), er meget løst forbundet med grafen gennem van der Waals -interaktioner, så den er mobil. "

Ud over de potentielle sikkerhedsprogrammer til forsvindende kredsløb, Fedorov ser muligheden for forenklede kontrolmekanismer, der ville bruge de diffunderende mønstre til at slukke processer med forudindstillede intervaller. Teknikken kan også bruges til at tidsbestemme frigivelsen af ​​lægemidler eller andre biomedicinske processer.

"Du kunne skrive information i enere og nuller med elektronstrålen, bruge enheden til at overføre oplysninger, og derefter to timer senere vil oplysningerne være forsvundet, "sagde han." I stedet for at stole på komplekse kontrolalgoritmer, som en mikroprocessor skal udføre, ved at ændre den dynamiske tilstand eller selve det elektroniske system, dit program kan blive meget enkelt. Måske kan der være visse aktiverede, udløste processer, der kunne drage fordel af denne type adfærd, hvor den elektroniske tilstand ændres kontinuerligt over tid. "

Fedorov og hans samarbejdspartnere har hidtil kun vist evnen til at oprette enkle mønstre af ladede domæner i grafenet. Deres næste trin vil være at bruge deres p-n-kryds til at oprette enheder, der ville fungere i bestemte perioder.

Fedorov indrømmer, at denne dynamiske kulstofmønster kan udgøre en udfordring for elektriske ingeniører, der er vant til statiske enheder, der udfører de samme funktioner dag efter dag. Men han tror, ​​at nogle vil finde nyttige anvendelser til dette nye fænomen.

"Vi har taget et kritisk skridt i opdagelsen og forståelsen, "sagde han." Det næste trin vil være at demonstrere en kompliceret og unik applikation, som ellers ville være umulig at gøre med et konventionelt kredsløb. Det ville bringe et helt nyt niveau af spænding til dette. "