(PhysOrg.com) - Les circuits qui peuvent effectuer des opérations logiques en appuyant sur un bouton sont une dizaine de nos jours, mais une percée réalisée par des chercheurs aux États-Unis signifie qu'ils peuvent être plus petits et plus simples que jamais. En utilisant un seul matériau à la fois pour le bouton et le circuit pour la première fois, des scientifiques du Georgia Institute of Technology ont créé de minuscules circuits logiques qui peuvent être utilisés comme base pour la robotique et les processeurs à l'échelle nanométrique.
Professeur Zhong Lin (ZL) Wang, qui dirige la recherche, explique comment les propriétés particulières de l'oxyde de zinc ont rendu ce travail possible. "L'oxyde de zinc est unique en raison de ses propriétés piézoélectriques et semi-conductrices couplées." L'effet piézoélectrique se produit lorsqu'une contrainte sur un matériau, causé en appuyant dessus par exemple, modifie de manière réversible la structure cristalline dans une direction suffisamment pour créer un champ électrique.
Le mouvement mécanique induit une tension d'un côté du matériau à l'autre. Les semi-conducteurs ont la capacité de conduire l'électricité, ou pas, en fonction d'un facteur externe. Dans l'oxyde de zinc, ces deux caractéristiques se combinent et le transport du courant électrique est influencé par l'effet piézoélectrique, ce qui signifie que les changements de contrainte entraînent des changements dans la capacité du matériau à conduire l'électricité. C'est ce qu'on appelle l'effet piézotronique.
En ayant l'oxyde de zinc sous forme de nanofil, (diamètre 300 nanomètres; longueur 400 micromètres), et liés avec des métaux à chaque extrémité, Wang a effectivement produit un minuscule transistor, qui est fermée (ouverte ou fermée, avec de l'électricité circulant ou non) par la contrainte appliquée au nanofil.
Dans les résultats publiés dans Matériaux avancés cette semaine, Wang et ses collègues montrent comment, en combinant un nombre approprié de ces transistors dans divers agencements, des systèmes peuvent être créés pour traiter les fonctions logiques de base de la NAND, NI, et XOR, ainsi qu'agir comme multiplexeurs (MUX) et démultiplexeurs (DEMUX).
Jusqu'à maintenant, les processeurs logiques se sont appuyés sur l'utilisation de la technologie CMOS, utilisant deux composants complémentaires, un oxyde métallique et un semi-conducteur, comme le silicium. Dans les processeurs CMOS, un signal électrique est nécessaire pour actionner le portail. Si un stimulus mécanique est requis, encore un autre composant doit être ajouté au système. Par contre, Wang affirme que son travail représente une « toute nouvelle approche de l'opération logique qui effectue des actions couplées et contrôlées mécano-électriques dans une unité de structure en utilisant un seul matériau (qui est l'oxyde de zinc)… C'est la toute première démonstration de l'opération électronique induite par l'action mécanique. avec l'introduction d'un nouveau mécanisme de pilotage par rapport aux opérations logiques existantes à base de silicium. Il s'agit également de la première démonstration du genre utilisant des nanofils.
Travailler à l'échelle nanométrique présente ses propres défis, et les parties les plus difficiles de ce travail consistaient à synthétiser des nanofils de haute qualité et à les manipuler sur le substrat afin qu'ils fonctionnent de manière synchronisée. Mais Wang est maintenant convaincu qu'ils ont obtenu un bon contrôle sur le processus, et les résultats attestent que c'est le cas.
Les circuits logiques ne sont pas aussi rapides que ceux actuellement utilisés et basés sur CMOS, mais Wang ne voit pas cela comme un problème. En réalité, il voit les applications des deux technologies comme complémentaires. « Les dispositifs logiques à commande de contrainte sont conçus pour s'interfacer avec l'environnement ambiant, qui est associé à des actions mécaniques à basse fréquence, et les applications de visée et de ciblage sont différentes de celles des dispositifs au silicium conventionnels qui visent la vitesse. Les applications envisagées comprennent la nanorobotique, transducteurs, micromachines, interfaçage homme-machine, et la microfluidique (où de minuscules canaux transportent divers liquides, généralement à mélanger pour des réactions étroitement contrôlées).
Le groupe a l'intention de joindre les nouveaux transducteurs à déclenchement par contrainte aux capteurs et aux composants d'extraction d'énergie qu'ils ont précédemment préparés également à partir de nanofils d'oxyde de zinc pour rendre « autodurables, tout à base de nanofils, systèmes nanométriques intelligents autonomes autoalimentés multifonctionnels. Il semble que nous n'aurons même plus besoin d'appuyer sur un bouton.
