Nanowire-resonatorer kan bruges til at miniaturisere energieffektiv elektronik

Computere der passer i vores lommer, fjernsynsskærme, der ikke er tykkere end en dør, og biler kun lidt større end deres passagerer, teknologi bliver konstant mindre. En væsentlig årsag til denne miniaturisering er udviklingen af ​​nanostørrelsesresonatorer, som konverterer små niveauer af elektrisk effekt til mekaniske svingninger ved høje frekvenser.

"Nano-elektromekaniske resonatorer bruges i alle former for moderne teknologi. Du ser dem måske ikke, men de kan findes i robotik, medicinske værktøjer og miljøsensorer, " siger Osaka University Professor Hidezaku Tanaka, der udvikler nye nanoteknologier.

Tidligere i år, Tanaka og hans forskerhold rapporterede om et fritstående nanotråd, der kunne reducere strømkravene til nano-resonatorer med en faktor hundrede.

"Overgangsmetaller undergår en isolator til metalovergang. Vi lavede fritstående nanotråde lavet af vanadiumdioxid (VO2), der havde høj ydeevne ved lav effekt."

Faseovergangen kan ske ved at indsprøjte elektrisk strøm i VO2-krystaller. Fordi den mekaniske reaktion på kraften er ikke-lineær, Tanaka viste, at hidtil usete lave niveauer af kraft kunne bruges til at generere en uforholdsmæssig stærk mekanisk reaktion. Tanaka fandt ud af, at trådens fritstående karakter er nøglen, da ellers ikke-lineariteten og dermed energieffektiviteten var meget mindre.

"Det var ikke let at bygge den fritstående nanotråd. Metaloxider er meget stive og sprøde. Vi kunne fremstille nanotrådene ved at dyrke dem på magnesiumoxid (MgO) og derefter ætse MgO-laget væk."

I sin seneste publikation, samarbejdsteamet af Tanaka-gruppen, Professor Daniele Marré-gruppen i Italien og Dr. Nicola Manca i Holland grupperer sig for at bestemme, hvor enkel konstruktionen af ​​nano-resonatorer ved hjælp af hans VO2 fritstående nanotråde kunne være. På grund af de elektromekaniske egenskaber ved VO2-krystaller og hans fritstående design, nanotrådene kunne generere mekaniske svingninger ved MHz-frekvenser ved hjælp af intet andet end en simpel jævnstrømskilde. Denne effektive konvertering af elektrisk energi til mekanisk arbejde reducerer behovet for dedikerede elektroniske enheder, dermed muliggør skabelsen af ​​endnu mindre nano-elektromekaniske systemer (NEMS) end de nuværende.

Nanotrådene er afhængige af de spontane svingninger i det elektriske signal forårsaget af faseovergange i VO2. Disse elektriske svingninger får VO2 nanotrådene til også at oscillere, men den ikke-lineære elektromekaniske kobling betyder, at den effekt på nanoskalaen kan generere VO2-svingninger ved MHz-frekvenser. Teamet viste, at den ekstra energi til krystallsvingningerne kommer i form af varme forårsaget af den elektriske strøm.

"Vi satte vores design op, så en Joule-effekt blev lokaliseret til et mellemrum af eksponeret VO2. Vi fandt ud af, at energikilden til den mekaniske respons er domineret af termiske dissipationer og ikke elektrisk strøm, "sagde Tanaka.

At designe et NEMS, der effektivt udnytter varme genereret af faseovergangene, giver et nyt paradigme for energieffektive teknologier.

"Vores system er enkelt og skalerbart. Det åbner muligheden for at realisere NEMS, der har hurtig omskiftning og drevet af en jævnstrømskilde."