(PhysOrg.com) -- Kretsar som kan utföra logiska operationer med en knapptryckning är ett tiotal öre nu för tiden, men ett genombrott av forskare i USA har inneburit att de kan bli mindre och enklare än någonsin tidigare. Att använda ett enda material som både knapp och krets för första gången, forskare vid Georgia Institute of Technology har skapat små logiska kretsar som kan användas som grund för robotik och processorer i nanometerskala.
Professor Zhong Lin (ZL) Wang, vem leder forskningen, förklarar hur de säregna egenskaperna hos zinkoxid har gjort detta arbete möjligt. "Zinkoxid är unik på grund av dess kopplade piezoelektriska och halvledaregenskaper." Den piezoelektriska effekten uppstår när en påfrestning på ett material, orsakas av att trycka på den till exempel, ändrar reversibelt kristallstrukturen i en riktning tillräckligt för att skapa ett elektriskt fält.
Den mekaniska rörelsen inducerar en spänning från ena sidan av materialet till den andra. Halvledare har förmågan att leda elektricitet, eller inte, beroende på någon yttre faktor. I zinkoxid, dessa två egenskaper kombineras och transporten av elektrisk ström påverkas av den piezoelektriska effekten, vilket innebär att förändringar i töjningen leder till förändringar i materialets förmåga att leda elektricitet. Detta är vad som kallas den piezotroniska effekten.
Genom att ha zinkoxiden i form av en nanotråd, (diameter 300 nanometer; längd 400 mikrometer), och bundna med metaller i varje ände, Wang har effektivt producerat en liten transistor, som är grindad (öppen eller stängd, med elektricitet som antingen flyter eller inte) av spänningen som appliceras på nanotråden.
I resultat publicerade i Avancerade material Denna vecka, Wang och hans kollegor visar hur genom att kombinera ett lämpligt antal av dessa transistorer i olika arrangemang, system kan göras som kan bearbeta de grundläggande logiska funktionerna i NAND, INTE HELLER, och XOR, samt fungera som multiplexorer (MUX) och demultiplexorer (DEMUX).
Tills nu, logiska processorer har förlitat sig på användningen av CMOS-teknik, använder två komplementära komponenter, en metalloxid och en halvledare, såsom kisel. I CMOS-processorer, en elektrisk signal krävs för att manövrera grinden. Om en mekanisk stimulans krävs, ännu en komponent måste läggas till i systemet. Däremot Wang hävdar att hans arbete representerar ett "helt nytt tillvägagångssätt mot logisk operation som utför mekanisk-elektrisk kopplade och kontrollerade åtgärder i en strukturenhet med ett enda material (som är zinkoxid) ... Detta är den allra första demonstrationen av mekanisk handlingsinducerad elektronisk operation med introduktionen av en ny drivmekanism i jämförelse med befintliga kiselbaserade logiska operationer. Detta är också den första demonstrationen i sitt slag med nanotrådar."
Att arbeta i nanoskalan ger sina egna utmaningar, och de svåraste delarna av detta arbete var att syntetisera högkvalitativa nanotrådar och manipulera dem på substratet så att de skulle fungera på ett synkroniserat sätt. Men Wang är nu övertygad om att de har uppnått en bra kontroll över processen, och resultaten vittnar om att så är fallet.
De logiska kretsarna är inte lika snabba som de som för närvarande används och baserade på CMOS, men Wang ser inte detta som ett problem. Faktiskt, han ser tillämpningarna av de två teknologierna som komplementära. "De strain-gated logiska enheterna är designade för att samverka med den omgivande miljön, som är förknippad med lågfrekventa mekaniska åtgärder, och mål- och målapplikationerna skiljer sig från de för konventionella silikonenheter som siktar på hastighet." Tänkda tillämpningar inkluderar nanorobotik, givare, mikromaskiner, människa-dator-gränssnitt, och mikrofluidik (där små kanaler bär olika vätskor, vanligtvis blandas för reaktionssnävt kontrollerade sätt).
Gruppen avser att ansluta de nya töjningsstyrda givare till sensorer och energidragande komponenter som de tidigare har förberett också från zinkoxidnanotrådar för att göra "självhållbara, helt nanotrådsbaserad, multifunktionella självdrivna autonoma intelligenta nanoskalasystem." Det verkar som om vi inte ens behöver trycka på en knapp längre.
