I ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno sviluppato una nuova classe di dispositivi logici elettronici in cui la corrente viene commutata da un campo elettrico generato dall'applicazione di sollecitazioni meccaniche ai nanofili di ossido di zinco.

I dispositivi, che includono transistor e diodi, potrebbe essere utilizzato nella robotica su scala nanometrica, sistemi nanoelettromeccanici (NEMS), sistemi microelettromeccanici (MEMS) e dispositivi microfluidici. L'azione meccanica utilizzata per avviare lo sforzo potrebbe essere semplice come premere un pulsante, o essere creato dal flusso di un liquido, stiramento dei muscoli o il movimento di un componente robotico.

Nei tradizionali transistor ad effetto di campo, un campo elettrico commuta - o "porte" - il flusso di corrente elettrica attraverso un semiconduttore. Invece di usare un segnale elettrico, i nuovi dispositivi logici creano il campo di commutazione deformando meccanicamente i nanofili di ossido di zinco. La deformazione crea tensione nei nanofili, generando un campo elettrico attraverso l'effetto piezoelettrico - che crea carica elettrica in alcuni materiali cristallini quando sono sottoposti a sollecitazioni meccaniche.

"Quando applichiamo una tensione a un nanofilo posizionato su due elettrodi metallici, creiamo un campo, che è abbastanza forte da fungere da tensione di gate, " ha detto Zhong Lin Wang, un professore Regents presso la Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Questo tipo di dispositivo permetterebbe di interfacciare l'azione meccanica con l'elettronica, e potrebbe essere la base per una nuova forma di dispositivo logico che utilizza il potenziale piezoelettrico al posto di una tensione di gate".

Wang, che ha pubblicato una serie di articoli sui dispositivi in ​​riviste come Nano lettere , Materiale avanzato e Lettere di fisica applicata , chiama questa nuova classe di dispositivi su scala nanometrica "piezotronica" perché utilizzano il potenziale piezoelettrico per sintonizzare e attivare il processo di trasporto di carica nei semiconduttori. I dispositivi si basano sulle proprietà uniche delle nanostrutture di ossido di zinco, che sono sia semiconduttori che piezoelettrici.

I transistor e i diodi si aggiungono alla famiglia di nanodispositivi sviluppati da Wang e dal suo team di ricerca, e potrebbero essere combinati in sistemi in cui tutti i componenti sono basati sullo stesso materiale di ossido di zinco. I ricercatori hanno precedentemente annunciato lo sviluppo di generatori su scala nanometrica che producono una tensione convertendo il movimento meccanico dall'ambiente, e sensori a nanofili per misurare il pH e rilevare la luce ultravioletta.

"La famiglia di dispositivi che abbiamo sviluppato può essere unita per creare autoalimentati, sistemi autonomi e intelligenti su nanoscala, " ha detto Wang. "Possiamo creare sistemi complessi totalmente basati su nanofili di ossido di zinco che hanno memoria, in lavorazione, e capacità di rilevamento alimentate da energia elettrica recuperata dall'ambiente."

Utilizzando transistor ceppo-gated fabbricati su un substrato polimerico flessibile, i ricercatori hanno dimostrato operazioni logiche di base - tra cui NOR, Porte XOR e NAND e funzioni multiplexer/demultiplexer - semplicemente applicando diversi tipi di deformazione ai nanofili di ossido di zinco. Hanno anche creato un inverter posizionando transistor con controllo di deformazione su entrambi i lati di un substrato flessibile.

"Usando il transistor ceppo come elemento costitutivo, possiamo costruire logiche complicate, Wang ha aggiunto. "Questa è la prima volta che un'azione meccanica è stata utilizzata per creare un'operazione logica".

Un transistor strain-gated è costituito da un singolo nanofilo di ossido di zinco con le sue due estremità - gli elettrodi di source e drain - fissate a un substrato polimerico tramite contatti metallici. La flessione dei dispositivi inverte la loro polarità quando la deformazione cambia da compressione a trazione sui lati opposti.

I dispositivi funzionano a basse frequenze, del tipo creato dall'interazione umana e dall'ambiente circostante, e non sfiderebbero i tradizionali transistor CMOS per la velocità nelle applicazioni convenzionali. I dispositivi rispondono a forze meccaniche molto piccole, ha notato Wang.

Il gruppo Georgia Tech ha anche imparato a controllare la conduttività nei nanodispositivi di ossido di zinco utilizzando emissioni laser che sfruttano le proprietà uniche di fotoeccitazione del materiale. Quando la luce ultravioletta di un laser colpisce un contatto metallico attaccato a una struttura di ossido di zinco, crea coppie elettrone-lacuna che modificano l'altezza della barriera Schottky al contatto ossido di zinco-metallo.

Queste caratteristiche di variazione della conduttività delle emissioni laser possono essere utilizzate insieme alle alterazioni della sollecitazione meccanica per fornire un controllo più preciso sulle capacità di conduzione di un dispositivo.

"Il laser migliora la conduttività della struttura, " Wang ha osservato. "L'effetto laser è in contrasto con l'effetto piezoelettrico. L'effetto laser riduce l'altezza della barriera, mentre l'effetto piezoelettrico aumenta l'altezza della barriera."

Wang ha chiamato questi nuovi dispositivi fabbricati accoppiando piezoelettrici, eccitazione dei fotoni e proprietà dei semiconduttori dispositivi "piezo-fototronici".

Il gruppo di ricerca ha anche creato dispositivi a logica ibrida che utilizzano nanofili di ossido di zinco per controllare la corrente che si muove attraverso nanotubi di carbonio a parete singola. I nanotubi, che sono stati prodotti dai ricercatori della Duke University, può essere di tipo p o di tipo n.

La ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation (NSF), l'Agenzia per i progetti di ricerca avanzata della difesa (DARPA), e il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). Oltre a Wang, il gruppo di ricerca include Wenzhuo Wu, Yaguang Wei, Youfan Hu, Weihua Liu, Minbaek Lee, Yan Zhang, Yanling Chang, Shu Xiang, Lei Ding, Jie Liu e Robert Snyder.

"Il nostro lavoro con dispositivi strain-gated fornisce un nuovo approccio alle operazioni logiche che esegue azioni meccanico-elettriche in un'unità strutturale utilizzando un unico materiale, " Wang ha osservato. "Questi transistor potrebbero fornire nuove capacità di elaborazione e memoria in dispositivi molto piccoli e portatili".