Onderzoekers maken nieuw logica apparaat op basis van piëzo-elektrisch effect

Onderzoekers van Georgia Institute of Technology hebben een nieuw soort elektronisch logisch componenten ontwikkeld. In deze componenten wordt een elektrische stroom geschakeld door een elektrisch veld afkomstig van door het uitoefenen van een mechanische spanning op zink oxide nanodraden. Deze toestellen kunnen bijvoorbeeld transistors of diodes zijn en kunnen gebruikt worden als robots op nanoschaal, nano-elektromechanische systems (NEMS) en micro-elektromechanische systemen (MEMS). NEMS en MEMS zijn kleine systemen die uit een combinatie van elektronische, mechanische en eventueel chemische onderdelen bestaan. Bij deze nieuwe componenten kan de mechanische spanning afkomstig zijn van zeer simpele dingen zoals bijvoorbeeld het indrukken van een knop, of van een stroming van een fluïdum, of door het strekken van spieren en etc.

In een traditionele transistor, zorgt een elektrisch veld ervoor dat een elektrische stroom geschakeld wordt doorheen een halfgeleider. Maar deze nieuwe logische componenten gebruiken geen elektrisch signaal maar de elektrische stroom wordt geschakeld door het mechanisch vervormen van zink oxide nanodraadjes. Door deze vorming ontstaat er dan mechanische spanning in het materiaal. Deze zink oxide nanodraadjes zullen, bij een mechanische vervorming, een spanning gaan opwekken door he pïezo-elektrisch effect. Het pïezo-elektrisch effect is het verschijnsel dat kristallen van bepaalde materialen onder invloed van druk (bijvoorbeeld buiging) een elektrische spanning produceren en andersom: deze materialen vervormen ook wanneer er een spanning op wordt aangelegd. In een pïezo)elektrisch kristal zijn de positieve en negatieve elektrische lading gescheiden. Door een vervorming van het kristal wordt de symmetrie van de eenheidscel verbroken, en door de asymmetrie wordt er een elektrische spanning gegenereerd. Afhankelijk van de toegevoerde mechanische energie kan de spanning die hierbij wordt opgewekt variëren van milli-volts (door geluidstrillingen bij microfoons en pickupelementen) tot vele duizenden volts (bij gasaanstekers). In het laatste geval wordt een soort hamertje onder veerspanning op het kristal geslagen.

Ook het omgekeerde effect kan worden waargenomen, namelijk wanneer een elektrische spanning in de juiste richting op een pïezo-elektrisch materiaal wordt aangelegd, worden de ladingen in de eenheidscel verschillende beïnvloed, waardoor een vervorming wordt geïnduceerd. Ook dit effect kan heel sterk zijn: de ontwikkelde kracht is enorm, maar de uiteindelijk verplaatsing is normaal slechts enkele nanometers. Hier bij deze logische componenten, zijn de spanningen beperkt en de mechanische vervorming is afhankelijk van de toepassing.

Bij deze logische componenten wordt er nanodraadjes tussen twee metalen elektrodes geplaatst. Bij vervorming ontstaat er een elektrisch veld en dit veld is voldoende sterk zodat er een spanning ontstaat die gebruikt kan worden voor het aansturen van een transistor. Met deze componenten is het dus mogelijk om een mechanische actie onmiddellijk om te zetten in een elektronisch signaal. En zo kunnen deze een basis vormen voor een reeks nieuwe logische componenten waarbij de "aanstuur-spanning" voor de transistor gegenereerd wordt door een pïezo-elektrisch materiaal, die een mechanische vervorming ondervindt op nano-schaal.

Dit onderzoek werd uitgevoerd onder leiding van Zhong Lin Wang, een professor aan Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. Hij is een vooraanstaande onderzoeker in het gebied van nanotechnologie. Bij zijn vorige projecten ontwikkelde hij onder andere toestellen die nano-generators die mechanische energie omzetten in elektriciteit, paste hij nanotechnologie toe op zonnepanelen, zelfstandig aangedreven nanosystemen en verder nog andere toepassingen van nanotechnologie en nano-pïezo-elektronische elementen. De transistors en diodes, die bij deze families behoren kunnen, wanneer men ze combineert een zelf-aandrijvend, autonome en intelligente nano-systemen mee ontwikkeld worden. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk om met deze nieuwe logische componenten een geheugen te creëren waarmee data kan bewaard worden door deze zink-oxide nanodraadjes te laten vervormen. Bij deze toepassingen wordt het omgekeerde effect van pïezo-elektrische kristallen gebruikt, namelijk dat wanneer er een elektrische spanning aangelegd wordt, het materiaal gaat vervormen. Maar met deze nieuwe logische componenten is het ook mogelijk om nieuwe sensoren te bouwen waarmee informatie over de omgeving kan verzameld worden.

De onderzoekers hebben een aantal prototypes gebouwd om de inzetbaarheid van deze nieuwe technologie te demonstreren. Men gebruikte transistors die gefabriceerd waren om een flexibel polymeren ondergrond, deze transistors worden aangestuurd door pïezo-elektrisch nanodraden. Door deze componenten te combineren, de onderzoekers waren in staat om verschillende logische componenten te bouwen, waaronder NOR-, XOR-, NAND- poorten en multiplexers/demultiplexers functies. Al dit is mogelijk door een verschillende mechanische spanning aan te brengen op de zink-oxide nanodraadjes. Al deze functies werken bij lage frequenties, deze frequenties komen overeen met de frequentie van menselijke interacties en de onmiddellijke omgeving. Maar deze reageren zelfs al wanneer er zeer kleine krachten uitgeoefend worden op de nanodraadjes.

Ook leerden de onderzoekers dat de geleidbaarheid van de zink-oxide nanocomponenten te controleren is. Namelijk met behulp van laseremissies die inwerken op unieke foton-excitatie eigenschappen van het materiaal. Foton-excitatie is het mechanische die plaatsvindt wanneer een materiaal een foton absorbeert en dat er daardoor een elektron van het materiaal geëxciteerd wordt naar een hoger energieniveau. Dit is het effect waarbij er ook gebruik gemaakt wordt bij zonnepanelen, LED lampjes en dergelijke. Wanneer er een ultra-violette lichtstraal van een laser op een metaal, die verbonden is met zink-oxide nanodraadjes, dan zal de grootte van de "Schotty-barrier" veranderen. De Schotty barrier, staat voor het verschil in energieniveau die ontstaat bij een overgang van een metaal naar een halfgeleidermateriaal. Een dergelijke overgang heeft een gelijkricht karakteristiek en wordt dus gebruikt bij diodes. Dergelijke diodes noemt men Schottydiodes. Het grote verschil tussen gewone diodes en Schottydiodes is dat er hier een overgang is van een metaal naar een halfgeleidermateriaal, dit terwijl bij gewone diodes een overgang is van het ene halfgeleidermateriaal naar een ander halfgeleidermateriaal.

Bij overgang van een materiaal naar een zink-oxide structuur is er ook een Schotty barrière. En de geleidbaarheid van deze overgang kan beïnvloed worden door het metaal te beschijnen met een ultra-violet licht afkomstig van een laser. Deze eigenschap kan in combinatie met de veranderingen in mechanische buiging gebruikt worden om een nauwkeurigere controle te hebben over geleidbaarheid van de componenten. Het pïezo-elektrisch effect zorgt voor een tegengesteld effect in vergelijking met het laser-effect. Want het pïezo-elektrisch effect zorgt ervoor dat de Schotty-barrière vergroot en het laser-effect zorgt dat de barrière verkleint. Wang, de onderzoeker, noemt deze toestellen waarbij het pïezo-elektrisch effect, foton-excitatie en halfgeleider eigenschappen gecombineerd worden "pïezo-phototronic devices". Hun werk van dit team wetenschappers en onderzoekers creëert een nieuwe aanpak voor logische bewerkingen die mechanisch-elektrische acties uitvoert in één structurele eenheden gemaakt uit één materiaal. Dergelijke transistors kunnen zorgen voor nieuwe geheugen- verwerkingscapaciteiten voor kleine en draagbare toestellen.

via [gatech]