Les chercheurs de Georgia Tech mesurent les performances d'un dispositif piézo-phototronique dans lequel un laser modifie la conductance d'un contact métallique attaché à une structure d'oxyde de zinc. Crédit :Crédit :Gary Meek
Des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont développé une nouvelle classe de dispositifs logiques électroniques dans lesquels le courant est commuté par un champ électrique généré par l'application d'une contrainte mécanique à des nanofils d'oxyde de zinc.
Les appareils, qui comprennent des transistors et des diodes, pourrait être utilisé en robotique à l'échelle nanométrique, systèmes nano-électromécaniques (NEMS), systèmes micro-électromécaniques (MEMS) et dispositifs microfluidiques. L'action mécanique utilisée pour initier la tension pourrait être aussi simple que d'appuyer sur un bouton, ou être créé par l'écoulement d'un liquide, l'étirement des muscles ou le mouvement d'un composant robotique.
Dans les transistors à effet de champ traditionnels, un champ électrique commute - ou "porte" - le flux de courant électrique à travers un semi-conducteur. Au lieu d'utiliser un signal électrique, les nouveaux dispositifs logiques créent le champ de commutation en déformant mécaniquement des nanofils d'oxyde de zinc. La déformation crée une contrainte dans les nanofils, générer un champ électrique par effet piézoélectrique - qui crée une charge électrique dans certains matériaux cristallins lorsqu'ils sont soumis à des contraintes mécaniques.
"Lorsque nous appliquons une contrainte à un nanofil placé entre deux électrodes métalliques, nous créons un champ, qui est assez fort pour servir de tension de déclenchement, " a déclaré Zhong Lin Wang, un professeur Regents à la Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. « Ce type de dispositif permettrait d'interfacer l'action mécanique avec l'électronique, et pourrait être la base d'une nouvelle forme de dispositif logique qui utilise le potentiel piézoélectrique à la place d'une tension de grille."
Wang, qui a publié une série d'articles sur les appareils dans des revues telles que Lettres nano , Matériaux avancés et Lettres de physique appliquée , appelle cette nouvelle classe de dispositifs à l'échelle nanométrique « piézotronique » car ils utilisent le potentiel piézoélectrique pour régler et déclencher le processus de transport de charge dans les semi-conducteurs. Les dispositifs reposent sur les propriétés uniques des nanostructures d'oxyde de zinc, qui sont à la fois semi-conducteurs et piézoélectriques.
Les transistors et diodes s'ajoutent à la famille des nanodispositifs développés par Wang et son équipe de recherche, et pourraient être combinés dans des systèmes dans lesquels tous les composants sont basés sur le même matériau d'oxyde de zinc. Les chercheurs ont déjà annoncé le développement de générateurs à l'échelle nanométrique qui produisent une tension en convertissant le mouvement mécanique de l'environnement, et des capteurs à nanofils pour mesurer le pH et détecter la lumière ultraviolette.
Un chercheur de Georgia Tech manipule et mesure des nanodispositifs à base de nanofils d'oxyde de zinc fabriqués sur un substrat polymère flexible. Crédit :Crédit :Gary Meek
"La famille d'appareils que nous avons développée peut être réunie pour créer des appareils auto-alimentés, des systèmes nanométriques autonomes et intelligents, " a déclaré Wang. " Nous pouvons créer des systèmes complexes totalement basés sur des nanofils d'oxyde de zinc qui ont de la mémoire, En traitement, et des capacités de détection alimentées par l'énergie électrique récupérée de l'environnement."
En utilisant des transistors à grille de contrainte fabriqués sur un substrat polymère flexible, les chercheurs ont démontré des opérations logiques de base - y compris NOR, Portes XOR et NAND et fonctions de multiplexeur/démultiplexeur - en appliquant simplement différents types de contraintes aux nanofils d'oxyde de zinc. Ils ont également créé un inverseur en plaçant des transistors à grille de contrainte des deux côtés d'un substrat flexible.
"En utilisant le transistor à grille de contrainte comme bloc de construction, nous pouvons construire une logique compliquée, " a ajouté Wang. " C'est la première fois qu'une action mécanique est utilisée pour créer une opération logique. "
Un transistor à grille de contrainte est constitué d'un seul nanofil d'oxyde de zinc avec ses deux extrémités - les électrodes de source et de drain - fixées à un substrat polymère par des contacts métalliques. La flexion des dispositifs inverse leur polarité lorsque la contrainte passe de la compression à la traction sur les côtés opposés.
Les dispositifs fonctionnent à des fréquences basses - celles créées par l'interaction humaine et l'environnement ambiant - et ne remettraient pas en cause les transistors CMOS traditionnels en termes de vitesse dans les applications conventionnelles. Les appareils réagissent à de très faibles forces mécaniques, Wang a noté.
Les chercheurs de Georgia Tech mesurent les performances d'un réseau de nanodispositifs en oxyde de zinc fabriqués sur un substrat polymère flexible. Crédit :Crédit :Gary Meek
Le groupe Georgia Tech a également appris à contrôler la conductivité dans les nanodispositifs d'oxyde de zinc à l'aide d'émissions laser qui tirent parti des propriétés de photo-excitation uniques du matériau. Lorsque la lumière ultraviolette d'un laser frappe un contact métallique attaché à une structure d'oxyde de zinc, il crée des paires électron-trou qui modifient la hauteur de la barrière Schottky au niveau du contact oxyde de zinc-métal.
Ces caractéristiques de changement de conductivité des émissions laser peuvent être utilisées en tandem avec des altérations de la contrainte mécanique pour fournir un contrôle plus précis des capacités conductrices d'un dispositif.
"Le laser améliore la conductivité de la structure, " a noté Wang. " L'effet laser est en contraste avec l'effet piézoélectrique. L'effet laser réduit la hauteur de la barrière, tandis que l'effet piézoélectrique augmente la hauteur de la barrière."
Wang a appelé ces nouveaux dispositifs fabriqués par couplage piézoélectrique, excitation photonique et propriétés des semi-conducteurs dispositifs « piézo-phototroniques ».
Le groupe de recherche a également créé des dispositifs logiques hybrides qui utilisent des nanofils d'oxyde de zinc pour contrôler le courant se déplaçant à travers des nanotubes de carbone à paroi unique. Les nanotubes, qui ont été produits par des chercheurs de l'Université Duke, peut être de type p ou de type n.
La recherche a été soutenue par la National Science Foundation (NSF), la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), et le Département américain de l'énergie (DOE). En plus de Wang, l'équipe de recherche comprend Wenzhuo Wu, Yaguang Wei, Youfan Hu, Weihua Liu, Minbaek Lee, Yan Zhang, Yanling Chang, Shu Xiang, Lei Ding, Jie Liu et Robert Snyder.
« Notre travail avec des dispositifs à commande de contrainte offre une nouvelle approche des opérations logiques qui effectuent des actions mécaniques-électriques dans une unité structurelle en utilisant un seul matériau, " a noté Wang. " Ces transistors pourraient fournir de nouvelles capacités de traitement et de mémoire dans de très petits appareils portables. "
