Ljusfältsmikroskopibild av en VO 2 plan ställdon av chevrontyp. Överlagring i falsk färg på spetsen av skytteln vid låg och hög temperatur. Bar, 1 μm. Kredit:Osaka University
Hur slår man på och av en ultraliten komponent i avancerad teknik? Du behöver ett ställdon, en enhet som överför en ingång som elektricitet till fysisk rörelse. Dock, ställdon i småskalig teknik har hittills kritiska begränsningar. Till exempel, om det är svårt att integrera ställdonet i halvledarelektronik, verkliga tillämpningar av tekniken kommer att vara begränsade. En ställdondesign som fungerar snabbt, har exakt på/av-kontroll, och är kompatibel med modern elektronik skulle vara oerhört användbart.
I en studie som nyligen publicerades i Nanobokstäver , ett team med forskare från Osaka University har utvecklat ett sådant ställdon. Dess känslighet, snabbt på/av-svar, och precision i nanometerskala är oöverträffad.
Forskarnas ställdon är baserat på vanadinoxidkristaller. Många nuvarande teknologier använder en egenskap hos vanadinoxid som kallas fasövergången för att orsaka böjningsrörelser utanför planet i småskaliga enheter. Till exempel, sådana ställdon är användbara i ultrasmå speglar. Att använda fasövergången för att orsaka böjning i planet är mycket svårare, men det skulle vara användbart, till exempel, i ultrasmå gripdon inom medicin.
"Vid 68°C, vanadinoxid genomgår en skarp monoklinisk till rutil fasövergång som är användbar i mikroskalateknologier, " förklarar medförfattaren Teruo Kanki. "Vi använde en enhetsgeometri av chevrontyp (sågtand) för att förstärka böjningen av kristallen i planet, och öppna nya applikationer."
Med hjälp av ett tvåstegsprotokoll, forskarna tillverkade en femton mikrometer lång vanadinoxidkristall fäst med en serie tio mikrometers armar till en fast ram. Med hjälp av en fasövergång orsakad av en lättillgänglig stimulans - en temperaturförändring på 10°C - rör sig kristallen 225 nanometer i planet. Expansionsbeteendet är mycket reproducerbart, över tusentals cykler och flera månader.
Illustration av experimentet:En blå laserdiod (LD), styrs av en vågformsgenerator (WG), är fokuserad i mitten av skytteln medan en röd laserfläck delvis täcker dess spets. Reflekterat rött ljus samlas in av en fotodiod (PD) och den resulterande elektriska signalen övervakas av ett oscilloskop (Osc) och frekvenssvaret hos den enhet som studeras. Gränsfrekvens, ~2 kHz. Enheten termaliseras vid 50°C under excitation med den blå lasern. Vi skaffade datapunkter manuellt, och observerade ingen märkbar drift över tiden, indikerar reproducerbarhet över tusentals cykler. Kredit:Osaka University
"Vi flyttade också ställdonet i planet som svar på en laserstråle, säger Nicola Manca och Luca Pelligrino, medförfattare. "På/av-svarstiden var en bråkdel av en millisekund nära fasövergångstemperaturen, med små förändringar vid andra temperaturer, vilket gör våra ställdon till de mest avancerade i världen."
Småskaliga teknologier som avancerade implanterade läkemedelstillförselanordningar skulle inte fungera utan möjligheten att snabbt slå på och av dem. Den underliggande principen för forskarnas manöverdon — en reversibel fasövergång för på/av, rörelse i planet – kommer att dramatiskt utöka användbarheten av många moderna tekniker. Forskarna förväntar sig att noggrannheten och hastigheten på deras ställdon kommer att vara särskilt användbar för mikrorobotik.
