(PhysOrg.com) -- Att dra nytta av de unika egenskaperna hos zinkoxidnanotrådar, forskare har visat en ny typ av piezoelektrisk resistiv omkopplingsanordning där skriv-läsåtkomsten för minnesceller styrs av elektromekanisk modulering. Fungerar på flexibla underlag, arrayer av dessa enheter kan ge ett nytt sätt att koppla den biologiska världens mekaniska handlingar till konventionella elektroniska kretsar.

De piezoelektriskt modulerade resistiva minnesanordningarna (PRM) drar fördel av det faktum att resistansen hos piezoelektriska halvledande material såsom zinkoxid (ZnO) kan styras genom applicering av påkänning från en mekanisk verkan. Resistansförändringen kan detekteras elektroniskt, tillhandahåller ett enkelt sätt att erhålla en elektronisk signal från en mekanisk åtgärd.

"Vi kan tillhandahålla gränssnittet mellan biologi och elektronik, sade Zhong Lin Wang, Regents professor vid School of Materials Science and Engineering vid Georgia Institute of Technology. "Denna teknik, som är baserad på nanotrådar av zinkoxid, tillåter kommunikation mellan en mekanisk verkan i den biologiska världen och konventionella enheter i den elektroniska världen."

Forskningen rapporterades online den 22 juni i tidskriften Nano Letters. Arbetet sponsrades av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), National Science Foundation (NSF), det amerikanska flygvapnet och det amerikanska energidepartementet.

I konventionella transistorer, strömflödet mellan en källa och ett avlopp styrs av en gate-spänning som appliceras på enheten. Den grindspänningen avgör om enheten är på eller av.

De piezotroniska minnesenheter som utvecklats av Wang och doktorand Wenzhuo Wu drar fördel av det faktum att piezoelektriska material som zinkoxid producerar en laddningspotential när de deformeras mekaniskt eller på annat sätt utsätts för påfrestningar. Dessa PRM-enheter använder den piezoelektriska laddningen som skapas av deformationen för att kontrollera strömmen som flyter genom zinkoxidnanotrådarna som är kärnan i enheterna – grundprincipen för piezotronik. Laddningen skapar polaritet i nanotrådarna – och ökar det elektriska motståndet ungefär som gate-spänningen i en konventionell transistor.

"Vi ersätter appliceringen av en extern spänning med produktionen av en intern spänning, ” förklarade Wang. "Eftersom zinkoxid är både piezoelektrisk och halvledande, när du silar materialet med en mekanisk verkan, du skapar en piezopotential. Denna piezopotential justerar laddningstransporten över gränssnittet – istället för att styra kanalbredden som i konventionella fälteffekttransistorer.”

Den mekaniska påfrestningen kan komma från så olika mekaniska aktiviteter som att skriva ett namn med en penna, rörelsen av ett manöverdon på en nanorobot, eller biologiska aktiviteter i människokroppen såsom hjärtslag.

"Vi styr laddningsflödet över gränssnittet med hjälp av töjning, ” förklarade Wang. "Om du inte har någon belastning, laddningen flyter normalt. Men om du anstränger dig, den resulterande spänningen bygger en barriär som styr flödet."

Den piezotroniska omkopplingen påverkar strömmen som flyter i bara en riktning, beroende på om töjningen är drag- eller kompressiv. Det betyder att minnet som är lagrat i de piezotroniska enheterna har både ett tecken och en storlek. Informationen i detta minne kan läsas, bearbetas och lagras med konventionella elektroniska medel.

Att dra nytta av storskaliga tillverkningstekniker för zinkoxidnanowire arrays, forskarna från Georgia Tech har byggt icke-flyktiga resistiva omkopplingsminnen för användning som lagringsmedium. De har visat att dessa piezotroniska enheter kan skrivas, att information kan läsas från dem, och att de kan raderas för återanvändning. Ett 20-tal av arrayerna har hittills byggts för testning.

Zinkoxidnanotrådarna, som är cirka 500 nanometer i diameter och cirka 50 mikron långa, produceras med en fysisk ångavsättningsprocess som använder en högtemperaturugn. De resulterande strukturerna behandlas sedan med syreplasma för att minska antalet kristallina defekter – vilket hjälper till att kontrollera deras ledningsförmåga. Arrayerna överförs sedan till ett flexibelt substrat.

"Omkopplingsspänningen är avstämbar, beroende på antalet syrevakanser i strukturen, sa Wang. "Ju fler defekter du släcker bort med syreplasman, desto större spänning kommer att krävas för att driva strömflödet."

De piezotroniska minnescellerna arbetar vid låga frekvenser, som är lämpliga för den typ av biologiskt genererade signaler de kommer att spela in, sa Wang.

Dessa piezotroniska minneselement tillhandahåller ytterligare en komponent som behövs för att tillverka kompletta självdrivna nanoelektromekaniska system (NEMS) på ett enda chip. Wangs forskargrupp har redan visat andra nyckelelement som nanogeneratorer, sensorer och trådlösa sändare.

"Vi tar ytterligare ett steg mot målet med självdrivna kompletta system, sa Wang. "Utmaningarna nu är att göra dem tillräckligt små för att integreras på ett enda chip. Vi tror att dessa system kommer att lösa viktiga problem i människors liv."

Wang tror att detta nya minne kommer att bli allt viktigare när enheterna blir närmare kopplade till individuella mänskliga aktiviteter. Möjligheten att bygga dessa enheter på flexibla substrat innebär att de kan användas i kroppen – och med andra elektroniska enheter som nu byggs på material som inte är traditionellt kisel.

"I takt med att datorer och andra elektroniska enheter blir mer personliga och mänskliga, vi kommer att behöva utveckla nya typer av signaler, gränssnitt mellan mekaniska åtgärder och elektronik, " sa han. "Piezoelektriska material är det mest känsliga sättet att översätta dessa skonsamma mekaniska handlingar till elektroniska signaler som kan användas av elektroniska enheter."