A l'aide de faisceaux de nanofils verticaux d'oxyde de zinc, les chercheurs ont fabriqué des matrices de transistors piézotroniques capables de convertir directement le mouvement mécanique en signaux de commande électroniques. Les réseaux pourraient aider à donner aux robots un sens du toucher plus adaptatif, offrent une meilleure sécurité dans les signatures manuscrites et offrent de nouvelles façons pour les humains d'interagir avec les appareils électroniques.

Les tableaux comprennent plus de 8, 000 transistors piézotroniques fonctionnels, dont chacun peut produire indépendamment un signal de commande électronique lorsqu'il est soumis à une contrainte mécanique. Ces transistors tactiles - surnommés "taxels" - pourraient apporter des améliorations significatives de la résolution, la sensibilité et les opérations actives/adaptatives par rapport aux techniques existantes de détection tactile. Leur sensibilité est comparable à celle d'un doigt humain.

Les taxels alignés verticalement fonctionnent avec des transistors à deux bornes. Au lieu d'une troisième borne de grille utilisée par les transistors conventionnels pour contrôler le flux de courant qui les traverse, les taxels contrôlent le courant avec une technique appelée "strain-gating". La contrainte-gating basée sur l'effet piézotronique utilise les charges électriques générées à l'interface de contact Schottky par l'effet piézoélectrique lorsque les nanofils sont mis sous contrainte par l'application d'une force mécanique.

La recherche sera publiée le 25 avril dans le journal Science en ligne, au Science Express site Internet, et sera publié dans une version ultérieure de la revue imprimée Science .

"Tout mouvement mécanique, comme le mouvement des bras ou des doigts d'un robot, pourrait être traduit en signaux de contrôle, " a expliqué Zhong Lin Wang, un professeur de Regents et une chaire Hightower à la School of Materials Science and Engineering du Georgia Institute of Technology. "Cela pourrait rendre la peau artificielle plus intelligente et plus semblable à la peau humaine. Cela permettrait à la peau de ressentir une activité à la surface."

Imiter le sens du toucher électroniquement a été un défi, et se fait maintenant en mesurant les changements de résistance provoqués par le toucher mécanique. Les dispositifs développés par les chercheurs de Georgia Tech reposent sur un phénomène physique différent :de minuscules charges de polarisation se forment lorsque des matériaux piézoélectriques tels que l'oxyde de zinc sont déplacés ou soumis à une contrainte. Dans les transistors piézotroniques, les charges piézoélectriques contrôlent le flux de courant à travers les fils tout comme les tensions de grille le font dans les transistors à trois bornes conventionnels.

La technique ne fonctionne que dans des matériaux qui ont à la fois des propriétés piézoélectriques et semi-conductrices. Ces propriétés sont observées dans les nanofils et les films minces créés à partir des familles de matériaux de mélange de wurtzite et de zinc, qui comprend l'oxyde de zinc, le nitrure de gallium et le sulfure de cadmium.

Dans leur laboratoire, Wang et ses co-auteurs – le boursier postdoctoral Wenzhuo Wu et l'assistant de recherche diplômé Xiaonan Wen – ont fabriqué des matrices de 92 par 92 transistors. Les chercheurs ont utilisé une technique de croissance chimique à environ 85 à 90 degrés Celsius, ce qui leur a permis de fabriquer des réseaux de transistors piézotroniques verticaux à grille de contrainte sur des substrats adaptés aux applications de la microélectronique. Les transistors sont constitués de faisceaux d'environ 1, 500 nanofils individuels, chaque nanofil entre 500 et 600 nanomètres de diamètre.

Dans les périphériques de la baie, les transistors piézotroniques verticaux à grille de contrainte active sont pris en sandwich entre des électrodes supérieure et inférieure en oxyde d'indium et d'étain alignées dans des configurations de barres transversales orthogonales. Une fine couche d'or est déposée entre les surfaces supérieure et inférieure des nanofils d'oxyde de zinc et les électrodes supérieure et inférieure, former des contacts Schottky. Une fine couche de polymère Parylène est ensuite appliquée sur l'appareil en tant que barrière contre l'humidité et la corrosion.

La densité du tableau est de 234 pixels par pouce, la résolution est meilleure que 100 microns, et les capteurs sont capables de détecter des changements de pression aussi bas que 10 kilopascals – une résolution comparable à celle de la peau humaine, a dit Wang. Les chercheurs de Georgia Tech ont fabriqué plusieurs centaines de matrices au cours d'un projet de recherche qui a duré près de trois ans.

Les tableaux sont transparents, ce qui pourrait leur permettre d'être utilisés sur des tablettes tactiles ou d'autres appareils pour la prise d'empreintes digitales. Ils sont également flexibles et pliables, élargir la gamme des utilisations potentielles.

Parmi les applications potentielles :

• Enregistrement de signature multidimensionnelle, dans lequel non seulement le graphisme de la signature serait inclus, mais aussi la pression exercée à chaque endroit lors de la création de la signature, et la vitesse à laquelle la signature est créée.
• Détection adaptative de forme dans laquelle un changement de forme de l'appareil est mesuré. Cela serait utile dans des applications telles que la peau artificielle/prothétique, des traitements biomédicaux intelligents et une robotique intelligente dans laquelle les réseaux détecteraient ce qui était en contact avec eux.
• Détection tactile active dans laquelle les opérations physiologiques des mécanorécepteurs d'entités biologiques telles que les follicules pileux ou les poils de la cochlée sont émulées.

Étant donné que les baies seraient utilisées dans des applications réelles, les chercheurs ont évalué leur durabilité. Les appareils fonctionnaient encore après 24 heures d'immersion dans de l'eau salée et de l'eau distillée.

Les travaux futurs comprendront la production des réseaux de taxels à partir de nanofils uniques au lieu de faisceaux, et intégrer les matrices sur des dispositifs au silicium CMOS. L'utilisation de fils simples pourrait améliorer la sensibilité des réseaux d'au moins trois ordres de grandeur, a dit Wang.

"Il s'agit d'une technologie fondamentalement nouvelle qui nous permet de contrôler des appareils électroniques directement à l'aide d'une agitation mécanique, " a ajouté Wang. " Cela pourrait être utilisé dans un large éventail de domaines, y compris la robotique, MEMS, interfaces homme-machine et d'autres domaines qui impliquent une déformation mécanique."