(PhysOrg.com) -- Sfruttando le proprietà uniche dei nanofili di ossido di zinco, i ricercatori hanno dimostrato un nuovo tipo di dispositivo di commutazione resistivo piezoelettrico in cui l'accesso in scrittura e lettura delle celle di memoria è controllato dalla modulazione elettromeccanica. Operando su substrati flessibili, matrici di questi dispositivi potrebbero fornire un nuovo modo per interfacciare le azioni meccaniche del mondo biologico ai circuiti elettronici convenzionali.

I dispositivi di memoria resistiva modulata piezoelettricamente (PRM) sfruttano il fatto che la resistenza dei materiali semiconduttori piezoelettrici come l'ossido di zinco (ZnO) può essere controllata attraverso l'applicazione della deformazione da un'azione meccanica. La variazione di resistenza può essere rilevata elettronicamente, fornendo un modo semplice per ottenere un segnale elettronico da un'azione meccanica.

“Possiamo fornire l'interfaccia tra biologia ed elettronica, "ha detto Zhong Lin Wang, Professore Regents presso la School of Materials Science and Engineering presso il Georgia Institute of Technology. “Questa tecnologia, che si basa su nanofili di ossido di zinco, permette la comunicazione tra un'azione meccanica nel mondo biologico e dispositivi convenzionali nel mondo elettronico.

La ricerca è stata riportata online il 22 giugno sulla rivista Nano Letters. Il lavoro è stato sponsorizzato dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), la National Science Foundation (NSF), l'US Air Force e il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Nei transistor convenzionali, il flusso di corrente tra source e drain è controllato da una tensione di gate applicata al dispositivo. Quella tensione di gate determina se il dispositivo è acceso o spento.

I dispositivi di memoria piezotronici sviluppati da Wang e dallo studente laureato Wenzhuo Wu sfruttano il fatto che i materiali piezoelettrici come l'ossido di zinco producono un potenziale di carica quando vengono deformati meccanicamente o altrimenti messi sotto sforzo. Questi dispositivi PRM utilizzano la carica piezoelettrica creata dalla deformazione per controllare la corrente che scorre attraverso i nanofili di ossido di zinco che sono il cuore dei dispositivi:il principio di base della piezotronica. La carica crea polarità nei nanofili e aumenta la resistenza elettrica proprio come la tensione di gate in un transistor convenzionale.

“Stiamo sostituendo l'applicazione di una tensione esterna con la produzione di una tensione interna, "Ha spiegato Wang. "Poiché l'ossido di zinco è sia piezoelettrico che semiconduttore, quando si sforza il materiale con un'azione meccanica, crei un potenziale piezoelettrico. Questo potenziale piezoelettrico sintonizza il trasporto di carica attraverso l'interfaccia, invece di controllare la larghezza del canale come nei transistor ad effetto di campo convenzionali.

Lo sforzo meccanico potrebbe provenire da attività meccaniche diverse come firmare un nome con una penna, il movimento di un attuatore su un nanorobot, o attività biologiche del corpo umano come il battito del cuore.

“Controlliamo il flusso di carica attraverso l'interfaccia usando la deformazione, "Ha spiegato Wang. “Se non hai tensione, la carica scorre normalmente. Ma se applichi un ceppo, la tensione risultante crea una barriera che controlla il flusso”.

La commutazione piezotronica influisce sulla corrente che scorre in una sola direzione, a seconda che la deformazione sia di trazione o compressione. Ciò significa che la memoria immagazzinata nei dispositivi piezotronici ha sia un segno che una grandezza. Le informazioni in questa memoria possono essere lette, trattati e conservati con mezzi elettronici convenzionali.

Sfruttando le tecniche di fabbricazione su larga scala per gli array di nanofili di ossido di zinco, i ricercatori della Georgia Tech hanno costruito memorie a commutazione resistiva non volatile da utilizzare come supporto di memorizzazione. Hanno dimostrato che questi dispositivi piezotronici possono essere scritti, che le informazioni possono essere lette da loro, e che possono essere cancellati per il riutilizzo. Finora sono stati costruiti circa 20 array per i test.

I nanofili di ossido di zinco, che hanno un diametro di circa 500 nanometri e una lunghezza di circa 50 micron, sono prodotti con un processo di deposizione fisica da vapore che utilizza un forno ad alta temperatura. Le strutture risultanti vengono quindi trattate con plasma di ossigeno per ridurre il numero di difetti cristallini, il che aiuta a controllarne la conduttività. Gli array vengono quindi trasferiti su un substrato flessibile.

“La tensione di commutazione è sintonizzabile, a seconda del numero di posti vacanti di ossigeno nella struttura, "Ha detto Wang. “Più difetti si placano con il plasma di ossigeno, maggiore è la tensione che sarà richiesta per guidare il flusso di corrente.

Le celle di memoria piezotroniche operano a basse frequenze, che sono appropriati per il tipo di segnali generati biologicamente che registreranno, ha detto Wang.

Questi elementi di memoria piezotronici forniscono un altro componente necessario per fabbricare sistemi nanoelettromeccanici (NEMS) completi autoalimentati su un singolo chip. Il team di ricerca di Wang ha già dimostrato altri elementi chiave come i nanogeneratori, sensori e trasmettitori wireless.

“Stiamo facendo un altro passo verso l'obiettivo di sistemi completi autoalimentati, "Ha detto Wang. “La sfida ora è renderli sufficientemente piccoli da essere integrati in un singolo chip. Crediamo che questi sistemi risolveranno problemi importanti nella vita delle persone”.

Wang crede che questa nuova memoria diventerà sempre più importante man mano che i dispositivi diventeranno più strettamente collegati alle singole attività umane. La capacità di costruire questi dispositivi su substrati flessibili significa che possono essere utilizzati nel corpo e con altri dispositivi elettronici ora costruiti su materiali che non sono il silicio tradizionale.

“Poiché i computer e altri dispositivi elettronici diventano più personalizzati e simili all'uomo, dovremo sviluppare nuovi tipi di segnali, interfacciare le azioni meccaniche all'elettronica, ” ha detto. "I materiali piezoelettrici forniscono il modo più sensibile per tradurre queste delicate azioni meccaniche in segnali elettronici che possono essere utilizzati dai dispositivi elettronici".