Forskare vid Georgia Institute of Technology har utvecklat en ny klass av elektroniska logiska enheter där strömmen växlas av ett elektriskt fält som genereras genom applicering av mekanisk belastning på zinkoxidnanotrådar.

enheterna, som inkluderar transistorer och dioder, kan användas i nanometerskala robotik, nano-elektromekaniska system (NEMS), mikroelektromekaniska system (MEMS) och mikrofluidiska enheter. Den mekaniska åtgärden som används för att initiera påfrestningen kan vara så enkel som att trycka på en knapp, eller skapas av flödet av en vätska, stretching av muskler eller förflyttning av en robotkomponent.

I traditionella fälteffekttransistorer, ett elektriskt fält omkopplar - eller "gate" - flödet av elektrisk ström genom en halvledare. Istället för att använda en elektrisk signal, de nya logiska enheterna skapar kopplingsfältet genom att mekaniskt deformera zinkoxidnanotrådar. Deformationen skapar spänningar i nanotrådarna, genererar ett elektriskt fält genom den piezoelektriska effekten - som skapar elektrisk laddning i vissa kristallina material när de utsätts för mekanisk påkänning.

"När vi applicerar en påkänning på en nanotråd placerad över två metallelektroder, vi skapar ett fält, som är tillräckligt stark för att fungera som grindspänning, " sa Zhong Lin Wang, en Regents-professor vid Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Denna typ av anordning skulle tillåta mekaniska åtgärder att samverka med elektronik, och kan vara grunden för en ny form av logisk enhet som använder den piezoelektriska potentialen i stället för en grindspänning."

Wang, som har publicerat en serie artiklar om apparaterna i sådana tidskrifter som Nanobokstäver , Avancerade material och Bokstäver i tillämpad fysik , kallar denna nya klass av enheter i nanometerskala "piezotronics" eftersom de använder piezoelektrisk potential för att ställa in och grinda laddningstransportprocessen i halvledare. Enheterna förlitar sig på de unika egenskaperna hos zinkoxidnanostrukturer, som är både halvledande och piezoelektriska.

Transistorerna och dioderna lägger till familjen av nanoenheter som utvecklats av Wang och hans forskargrupp, och skulle kunna kombineras till system där alla komponenter är baserade på samma zinkoxidmaterial. Forskarna har tidigare meddelat utveckling av generatorer i nanometerskala som producerar en spänning genom att omvandla mekanisk rörelse från omgivningen, och nanotrådssensorer för att mäta pH och detektera ultraviolett ljus.

"Familjen av enheter vi har utvecklat kan slås samman för att skapa självförsörjande, autonoma och intelligenta nanoskalasystem, " Wang sa. "Vi kan skapa komplexa system helt baserade på zinkoxid nanotrådar som har minne, bearbetning, och avkänningsfunktioner som drivs av elektrisk energi som rensas från omgivningen."

Genom att använda töjningsstyrda transistorer tillverkade på ett flexibelt polymersubstrat, forskarna har visat grundläggande logiska operationer - inklusive NOR, XOR- och NAND-grindar och multiplexer/demultiplexerfunktioner - genom att helt enkelt applicera olika typer av spänningar på zinkoxidnanotrådarna. De har också skapat en inverterare genom att placera töjningsstyrda transistorer på båda sidor av ett flexibelt substrat.

"Att använda den töjningsstyrda transistorn som en byggsten, vi kan bygga komplicerad logik, " tillade Wang. "Detta är första gången som en mekanisk åtgärd har använts för att skapa en logisk operation."

En töjningsstyrd transistor är gjord av en enkel nanotråd av zinkoxid med sina två ändar - source- och drain-elektroderna - fixerade till ett polymersubstrat med metallkontakter. Att böja enheterna vänder deras polaritet när töjningen ändras från kompression till drag på motsatta sidor.

Enheterna arbetar vid låga frekvenser - den typ som skapas av mänsklig interaktion och den omgivande miljön - och skulle inte utmana traditionella CMOS-transistorer för hastighet i konventionella applikationer. Enheterna reagerar på mycket små mekaniska krafter, Wang noterade.

Georgia Tech-gruppen har också lärt sig att kontrollera ledningsförmågan i zinkoxidnanoenheter med hjälp av laseremissioner som drar fördel av materialets unika fotoexcitationsegenskaper. När ultraviolett ljus från en laser träffar en metallkontakt fäst vid en zinkoxidstruktur, det skapar elektron-hålpar som ändrar höjden på Schottky-barriären vid zinkoxid-metallkontakten.

Dessa konduktivitetsförändrande egenskaper hos laseremissionerna kan användas tillsammans med förändringar i mekanisk belastning för att ge mer exakt kontroll över en anordnings ledningsförmåga.

"Lasern förbättrar strukturens konduktivitet, " Wang noterade. "Lasereffekten står i kontrast till den piezoelektriska effekten. Lasereffekten minskar barriärens höjd, medan den piezoelektriska effekten ökar barriärhöjden."

Wang har kallat dessa nya enheter tillverkade genom koppling piezoelektriska, fotonexcitation och halvledaregenskaper "piezo-fototroniska" enheter.

Forskargruppen har också skapat hybridlogikenheter som använder nanotrådar av zinkoxid för att kontrollera ström som rör sig genom enkelväggiga kolnanorör. Nanorören, som producerades av forskare vid Duke University, kan vara antingen p-typ eller n-typ.

Forskningen har fått stöd av National Science Foundation (NSF), Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), och det amerikanska energidepartementet (DOE). Förutom Wang, forskargruppen inkluderar Wenzhuo Wu, Yaguang Wei, Youfan Hu, Weihua Liu, Minbaek Lee, Yan Zhang, Yanling Chang, Shu Xiang, Lei Ding, Jie Liu och Robert Snyder.

"Vårt arbete med töjningsstyrda enheter ger ett nytt tillvägagångssätt för logiska operationer som utför mekaniska-elektriska åtgärder i en strukturell enhet med ett enda material, " Wang noterade. "Dessa transistorer kan ge nya bearbetnings- och minnesmöjligheter i mycket små och bärbara enheter."