Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han desarrollado una nueva clase de dispositivo lógico electrónico en el que la corriente es conmutada por un campo eléctrico generado por la aplicación de tensión mecánica a nanocables de óxido de zinc.

Los dispositivos, que incluyen transistores y diodos, podría utilizarse en robótica a escala nanométrica, sistemas nanoelectromecánicos (NEMS), sistemas microelectromecánicos (MEMS) y dispositivos microfluídicos. La acción mecánica utilizada para iniciar la tensión podría ser tan simple como presionar un botón, o ser creado por el flujo de un líquido, estiramiento de músculos o el movimiento de un componente robótico.

En los transistores de efecto de campo tradicionales, un campo eléctrico conmuta - o "puertas" - el flujo de corriente eléctrica a través de un semiconductor. En lugar de usar una señal eléctrica, Los nuevos dispositivos lógicos crean el campo de conmutación deformando mecánicamente los nanocables de óxido de zinc. La deformación crea tensión en los nanocables, generando un campo eléctrico a través del efecto piezoeléctrico, que crea carga eléctrica en ciertos materiales cristalinos cuando se someten a tensión mecánica.

"Cuando aplicamos una tensión a un nanoalambre colocado a través de dos electrodos metálicos, creamos un campo, que es lo suficientemente fuerte como para servir como voltaje de puerta, "dijo Zhong Lin Wang, profesor de Regents en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Georgia Tech. "Este tipo de dispositivo permitiría que la acción mecánica se interconectara con la electrónica, y podría ser la base de una nueva forma de dispositivo lógico que utiliza el potencial piezoeléctrico en lugar de un voltaje de puerta ".

Wang, que ha publicado una serie de artículos sobre los dispositivos en revistas como Nano letras , Materiales avanzados y Letras de física aplicada , llama a esta nueva clase de dispositivos a escala nanométrica "piezotrónicos" porque utilizan el potencial piezoeléctrico para sintonizar y controlar el proceso de transporte de carga en los semiconductores. Los dispositivos se basan en las propiedades únicas de las nanoestructuras de óxido de zinc, que son tanto semiconductores como piezoeléctricos.

Los transistores y diodos se suman a la familia de nanodispositivos desarrollados por Wang y su equipo de investigación, y podría combinarse en sistemas en los que todos los componentes estén basados ​​en el mismo material de óxido de zinc. Los investigadores han anunciado previamente el desarrollo de generadores a escala nanométrica que producen un voltaje al convertir el movimiento mecánico del medio ambiente. y sensores de nanocables para medir el pH y detectar la luz ultravioleta.

"La familia de dispositivos que hemos desarrollado se puede unir para crear sistemas autónomos e inteligentes a nanoescala, ", Dijo Wang." Podemos crear sistemas complejos basados ​​totalmente en nanocables de óxido de zinc que tienen memoria, Procesando, y capacidades de detección impulsadas por energía eléctrica extraída del medio ambiente ".

Usando transistores de apertura de tensión fabricados en un sustrato de polímero flexible, los investigadores han demostrado operaciones lógicas básicas, incluidas NOR, Puertas XOR y NAND y funciones de multiplexor / demultiplexor, simplemente aplicando diferentes tipos de deformación a los nanocables de óxido de zinc. También han creado un inversor colocando transistores de apertura de tensión en ambos lados de un sustrato flexible.

"Usando el transistor de apertura de tensión como un bloque de construcción, podemos construir una lógica complicada, "Añadió Wang." Esta es la primera vez que se ha utilizado una acción mecánica para crear una operación lógica ".

Un transistor de apertura por tensión está hecho de un solo nanoalambre de óxido de zinc con sus dos extremos, los electrodos de fuente y drenaje, fijados a un sustrato de polímero mediante contactos metálicos. La flexión de los dispositivos invierte su polaridad a medida que la deformación cambia de compresión a tracción en lados opuestos.

Los dispositivos operan a bajas frecuencias, del tipo creado por la interacción humana y el entorno ambiental, y no desafiarían la velocidad de los transistores CMOS tradicionales en aplicaciones convencionales. Los dispositivos responden a fuerzas mecánicas muy pequeñas, Wang señaló.

El grupo de Georgia Tech también ha aprendido a controlar la conductividad en nanodispositivos de óxido de zinc utilizando emisiones láser que aprovechan las propiedades únicas de fotoexcitación del material. Cuando la luz ultravioleta de un láser incide en un contacto metálico adherido a una estructura de óxido de zinc, crea pares de electrones y huecos que cambian la altura de la barrera de Schottky en el contacto entre el óxido de zinc y el metal.

Estas características de cambio de conductividad de las emisiones láser se pueden utilizar junto con alteraciones en la deformación mecánica para proporcionar un control más preciso sobre las capacidades de conducción de un dispositivo.

"El láser mejora la conductividad de la estructura, "Wang señaló." El efecto láser contrasta con el efecto piezoeléctrico. El efecto láser reduce la altura de la barrera, mientras que el efecto piezoeléctrico aumenta la altura de la barrera ".

Wang ha llamado a estos nuevos dispositivos fabricados mediante acoplamiento piezoeléctrico, excitación de fotones y propiedades semiconductoras Dispositivos "piezo-fototrónicos".

El grupo de investigación también ha creado dispositivos lógicos híbridos que utilizan nanocables de óxido de zinc para controlar la corriente que se mueve a través de nanotubos de carbono de pared simple. Los nanotubos que fueron producidos por investigadores de la Universidad de Duke, puede ser de tipo p o de tipo n.

La investigación ha sido apoyada por la National Science Foundation (NSF), la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), y el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). Además de Wang, el equipo de investigación incluye a Wenzhuo Wu, Yaguang Wei, Youfan Hu, Weihua Liu, Minbaek Lee, Yan Zhang, Yanling Chang, Shu Xiang, Lei Ding, Jie Liu y Robert Snyder.

"Nuestro trabajo con dispositivos con puerta de tensión proporciona un nuevo enfoque a las operaciones lógicas que realiza acciones mecánico-eléctricas en una unidad estructural utilizando un solo material, Wang señaló. "Estos transistores podrían proporcionar nuevas capacidades de procesamiento y memoria en dispositivos muy pequeños y portátiles".