Fysikere eksperimenterer med nanotråd i et lovende felt, der kunne gøre elektronik mindre, hurtigere og billigere

Inden for elektronik, kapløbet om de mindre er enormt. Fysikere ved University of Cincinnati arbejder på at udnytte kraften fra nanotråde, mikroskopiske ledninger, der har potentiale til at forbedre solceller eller revolutionere fiberoptikken.

Nanoteknologi har potentialet til at løse den flaskehals, der opstår ved lagring eller genfinding af digitale data - eller kunne lagre data på en helt ny måde.?UC-professorer og deres kandidatstuderende præsenterede deres forskning på konferencen den 13. marts i American Physical Society i New Orleans , Louisiana.

Hans-Peter Wagner, lektor i fysik, og ph.d.-studerende Fatemesadat Mohammadi ser på måder at transmittere data på med fiberoptikkens hastighed, men i en væsentlig mindre skala.

Wagner og hovedforfatteren Mohammadi studerer dette felt, kaldet plasmonik, med forskere fra tre andre universiteter. Til det nye eksperiment, de byggede nanotrådshalvledere med organisk materiale, affyrede laserimpulser mod prøven og målte den måde, lyset rejste hen over metallet; teknisk set, excitationerne af plasmonbølger.

"Så, hvis det lykkes os at få en bedre forståelse af koblingen mellem excitationerne i halvledernanotråde og metalfilm, det kan åbne en masse nye perspektiver, " sagde Wagner.

Den vellykkede udnyttelse af dette fænomen - kaldet plasmon waveguiding - kunne give forskere mulighed for at transmittere data med lys på nano-niveau.

Universiteter rundt om i verden studerer nanotråde, som har allestedsnærværende applikationer fra biomedicinske sensorer til lysemitterende dioder eller LED'er. Fire UC-artikler om emnet er blandt mere end 150 andre af nanowire-forskere rundt om i verden, der skal præsenteres på konferencen i marts.

"Du forsøger at optimere den fysiske struktur på noget, der nærmer sig atomskalaen. Du kan lave meget højeffektive enheder som lasere, " sagde Leigh Smith, leder af UC's Institut for Fysik.?Smith og UC Fysik Professor Howard Jackson præsenterede også artikler om nanotråde på konferencen.?Stort set alle har gavn af denne forskningslinje, selvom kvantemekanikken, der ligger til grund for de nyeste biosensorer, overstiger en tilfældig forståelse. For eksempel, graviditetstest i hjemmet bruger guld nanopartikler - indikatoren, der skifter farve."Folk bruger hele tiden teknologier, som de ikke forstår, " sagde Smith. "Arthur C. Clarke sagde, "Enhver tilstrækkelig avanceret teknologi kan ikke skelnes fra magi."

Gordon Moore, medstifter af Intel Corp., observeret, at antallet af transistorer brugt i en mikrochip er omtrent fordoblet hvert andet år siden 1970'erne. Dette fænomen, nu kaldet Moores lov antyder, at computerens processorkraft forbedres med en forudsigelig hastighed.

Nogle dataloger forudsagde, at Moores lovs bortgang var uundgåelig med fremkomsten af ​​mikroprocessorer. Men nanoteknologi forlænger konceptets levetid, sagde Brian Markwalter, senior vicepræsident for forskning og teknologi for Forbrugerteknologiforeningen. Hans handelsgruppe repræsenterer 2, 200 medlemmer i den 287 milliarder dollars amerikanske teknologiindustri.

"Det er ikke et kapløb om at være lille bare for at være den mindste. Der er en progression i forhold til at kunne gøre mere på mindre chips. Effekten for forbrugerne er, at de hvert år får bedre og bedre produkter til samme pris eller mindre. " han sagde.

Nanoteknologi åbner et univers af nye muligheder, sagde Markwalter.

"Det er næsten magisk. De bliver bedre, hurtigere, billigere og bruger mindre strøm, " han sagde.

Markwalter sagde, at UC-professor Wagners forskning er spændende, fordi den viser lovende at bruge optiske switches til at løse en flaskehals i datatransmission, der opstår, når du forsøger at gemme eller fjerne data.

"Det er virkelig et banebrydende område at fusionere halvlederverdenen og den optiske verden, " sagde Markwalter. "[Wagner's] arbejder i skæringspunktet mellem fiberoptik og fotonik."

Men selv nanoteknologi har sine grænser, sagde Smith.

"Vi løber mod grænserne for, hvad der er fysisk muligt med nuværende teknologier, " sagde Smith. "Udfordringerne er ret enorme. Om 10 eller 20 år skal der ske et grundlæggende paradigmeskifte i, hvordan vi laver strukturer. Hvis vi ikke gør det, bliver vi fanget det samme sted, som vi er nu."

Sådan fungerer et UC-eksperiment:

UC kandidatstuderende Fatemesadat Mohammadi og lektor i fysik Hans-Peter Wagner affyrer laserimpulser mod halvledernannotråde for at excitere elektroner (kaldet excitoner), der potentielt fungerer som en energipumpe til at lede plasmonbølger hen over en belagt metalfilm på kun få nanometer tyk uden at miste strøm , en brændenældelig fysisk egenskab kaldet resistivitet

De måler den resulterende luminescens af nanotråden for at observere, hvordan lys kobles til metalfilmen. Ved at sende lys over en metalfilm, en proces kaldet plasmonisk bølgeledning, forskere kunne en dag overføre data med lys på nanoniveau.

"Luminescensen er vores interesse. Så vi belægger dem og ser:Hvordan ændrer fotoluminescenskarakteristikken sig?" sagde Mohammadi.

For at lave halvlederen, de bruger en teknik kaldet højvakuum organisk molekylær stråleaflejring (billedet ovenfor) til at sprede organiske og metallag på galliumnitrid nanorods.

Brugen af ​​organisk film er unik for UC-eksperimentet, sagde Wagner. Filmen fungerer som en spacer til at kontrollere energistrømmen mellem excitoner i nanotråden og oscillationen af ​​metalelektroner kaldet plasmoner.

Det organiske materiale har den ekstra fordel, at det også indeholder excitoner, ordnet ordentligt, kunne understøtte energistrømmen i en halvleder, han sagde.

Belægning af nanoroderne med guld forkorter levetiden for exciton-emissionen betydeligt, hvilket resulterer i det, der kaldes en slukket fotoluminescens. Men ved at bruge organiske afstandsstykker mellem nanorod og guldfilmen, forskerne er i stand til at forlænge emissionslevetiden til næsten det, der svarer til nanorods uden belægning.

Når den guldbelagte prøve er klargjort, de tager det med til et tilstødende laboratorielokale og udsætter det for pulser af laserlys.

Mohammadi sagde, at det tog dages omhyggeligt arbejde at arrangere den lille by med spejle og stråledelere boltet i præcise vinkler til et arbejdsbord til eksperimentet (billedet ovenfor til venstre).

Reaktionerne i nanotråden tager kun 10 picosekunder (hvilket er en trilliontedel af et sekund.) Og laserimpulserne er stadig hurtigere - 20 femtosekunder (et tal, der har 15 nuller efter sig eller en kvadrilliontedel af et sekund).

UC-projektet brugte en guldbelægning, så eksperimenter kunne replikeres på et senere tidspunkt uden risiko for oxidation. Men traditionelle belægninger som sølv, Mohammadi sagde, holde endnu mere løfte.