Le professeur Regents Zhong Lin Wang détient un réseau de cellules de mémoire résistive modulée piézoélectriquement (PRM) sur lesquelles des électrodes métalliques ont été modelées par lithographie. Crédit :Gary Meek
(PhysOrg.com) -- Profitant des propriétés uniques des nanofils d'oxyde de zinc, des chercheurs ont démontré un nouveau type de dispositif de commutation résistif piézoélectrique dans lequel l'accès en écriture-lecture des cellules mémoire est contrôlé par modulation électromécanique. Opérant sur des substrats souples, des matrices de ces dispositifs pourraient fournir une nouvelle façon d'interfacer les actions mécaniques du monde biologique avec les circuits électroniques conventionnels.
Les dispositifs à mémoire résistive modulée piézoélectriquement (PRM) tirent parti du fait que la résistance des matériaux semi-conducteurs piézoélectriques tels que l'oxyde de zinc (ZnO) peut être contrôlée par l'application d'une contrainte due à une action mécanique. Le changement de résistance peut être détecté électroniquement, fournissant un moyen simple d'obtenir un signal électronique à partir d'une action mécanique.
« Nous pouvons assurer l'interface entre la biologie et l'électronique, " a déclaré Zhong Lin Wang, Professeur Regents à la School of Materials Science and Engineering du Georgia Institute of Technology. « Cette technologie, qui est à base de nanofils d'oxyde de zinc, permet la communication entre une action mécanique du monde biologique et des dispositifs conventionnels du monde électronique.
La recherche a été publiée en ligne le 22 juin dans la revue Nano Letters. Le travail a été parrainé par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), la National Science Foundation (NSF), l'U.S. Air Force et le U.S. Department of Energy.
Dans les transistors conventionnels, le passage du courant entre une source et un drain est contrôlé par une tension de grille appliquée au dispositif. Cette tension de grille détermine si l'appareil est allumé ou éteint.
Les dispositifs de mémoire piézotroniques développés par Wang et l'étudiant diplômé Wenzhuo Wu tirent parti du fait que les matériaux piézoélectriques comme l'oxyde de zinc produisent un potentiel de charge lorsqu'ils sont déformés mécaniquement ou soumis à une contrainte. Ces dispositifs PRM utilisent la charge piézoélectrique créée par la déformation pour contrôler le courant circulant dans les nanofils d'oxyde de zinc qui sont au cœur des dispositifs - le principe de base de la piézotronique. La charge crée une polarité dans les nanofils – et augmente la résistance électrique un peu comme la tension de grille dans un transistor conventionnel.
« Nous remplaçons l'application d'une tension externe par la production d'une tension interne, ", a expliqué Wang. « Parce que l'oxyde de zinc est à la fois piézoélectrique et semi-conducteur, lorsque vous tendez le matériau avec une action mécanique, vous créez un piézopotentiel. Ce piézopotentiel ajuste le transport de charge à travers l'interface - au lieu de contrôler la largeur du canal comme dans les transistors à effet de champ conventionnels.
Un réseau de cellules de mémoire résistive modulées piézoélectriquement (PRM) est montré en cours d'étude dans un microscope optique. Crédit :Gary Meek
La contrainte mécanique pourrait provenir d'activités mécaniques aussi diverses que signer un nom avec un stylo, le mouvement d'un actionneur sur un nanorobot, ou des activités biologiques du corps humain telles qu'un battement cardiaque.
« Nous contrôlons le flux de charge à travers l'interface en utilisant la contrainte, ", a expliqué Wang. « Si vous n'avez pas de tension, la charge circule normalement. Mais si vous appliquez une souche, la tension résultante construit une barrière qui contrôle le flux.
La commutation piézotronique affecte le courant circulant dans un seul sens, selon que la contrainte est de traction ou de compression. Cela signifie que la mémoire stockée dans les dispositifs piézotroniques a à la fois un signe et une grandeur. Les informations contenues dans cette mémoire peuvent être lues, traitées et stockées par des moyens électroniques conventionnels.
Tirant parti des techniques de fabrication à grande échelle des réseaux de nanofils d'oxyde de zinc, les chercheurs de Georgia Tech ont construit des mémoires à commutation résistive non volatiles à utiliser comme support de stockage. Ils ont montré que ces dispositifs piézotroniques peuvent être écrits, que les informations peuvent être lues à partir d'eux, et qu'ils peuvent être effacés pour être réutilisés. Environ 20 des baies ont été construites jusqu'à présent pour les tests.
Les nanofils d'oxyde de zinc, qui font environ 500 nanomètres de diamètre et environ 50 microns de long, sont produits avec un procédé de dépôt physique en phase vapeur qui utilise un four à haute température. Les structures résultantes sont ensuite traitées avec un plasma d'oxygène pour réduire le nombre de défauts cristallins, ce qui permet de contrôler leur conductivité. Les réseaux sont ensuite transférés sur un substrat flexible.
« La tension de commutation est accordable, en fonction du nombre de lacunes d'oxygène dans la structure, ", a déclaré Wang. « Plus vous éliminez les défauts avec le plasma d'oxygène, plus la tension qui sera nécessaire pour entraîner le flux de courant est élevée.
Les cellules mémoires piézotroniques fonctionnent à basse fréquence, qui sont appropriés pour le type de signaux générés biologiquement qu'ils enregistreront, a dit Wang.
L'image montre un réseau de cellules de mémoire résistive modulée piézoélectriquement (PRM) sur lesquelles des électrodes métalliques ont été modelées à l'aide de la lithographie. Crédit :Gary Meek
Ces éléments de mémoire piézotroniques fournissent un autre composant nécessaire à la fabrication de systèmes nanoélectromécaniques (NEMS) auto-alimentés complets sur une seule puce. L'équipe de recherche de Wang a déjà démontré d'autres éléments clés tels que les nanogénérateurs, capteurs et émetteurs sans fil.
« Nous franchissons une nouvelle étape vers l'objectif de systèmes complets autoalimentés, ", a déclaré Wang. « Les défis sont maintenant de les rendre suffisamment petits pour être intégrés sur une seule puce. Nous pensons que ces systèmes résoudront des problèmes importants dans la vie des gens. »
Wang pense que cette nouvelle mémoire deviendra de plus en plus importante à mesure que les appareils deviendront plus étroitement liés aux activités humaines individuelles. La capacité de construire ces appareils sur des substrats flexibles signifie qu'ils peuvent être utilisés dans le corps - et avec d'autres appareils électroniques actuellement construits sur des matériaux qui ne sont pas du silicium traditionnel.
« Alors que les ordinateurs et autres appareils électroniques deviennent de plus en plus personnalisés et humains, nous devrons développer de nouveaux types de signaux, interfacer les actions mécaniques avec l'électronique, " a-t-il dit. « Les matériaux piézoélectriques constituent le moyen le plus sensible de traduire ces actions mécaniques douces en signaux électroniques pouvant être utilisés par les appareils électroniques. »
