El profesor de los Regentes, Zhong Lin Wang, sostiene una serie de celdas de memoria resistiva modulada piezoeléctricamente (PRM) en las que se han modelado electrodos metálicos mediante litografía. Crédito:Gary Meek
(PhysOrg.com) - Aprovechando las propiedades únicas de los nanocables de óxido de zinc, Los investigadores han demostrado un nuevo tipo de dispositivo de conmutación resistivo piezoeléctrico en el que el acceso de escritura y lectura de las celdas de memoria se controla mediante modulación electromecánica. Operando sobre sustratos flexibles, Los conjuntos de estos dispositivos podrían proporcionar una nueva forma de interconectar las acciones mecánicas del mundo biológico con los circuitos electrónicos convencionales.
Los dispositivos de memoria resistiva modulada piezoeléctricamente (PRM) aprovechan el hecho de que la resistencia de los materiales semiconductores piezoeléctricos como el óxido de zinc (ZnO) se puede controlar mediante la aplicación de tensión mediante una acción mecánica. El cambio de resistencia se puede detectar electrónicamente, proporcionando una forma sencilla de obtener una señal electrónica a partir de una acción mecánica.
“Podemos proporcionar la interfaz entre la biología y la electrónica, "Dijo Zhong Lin Wang, Profesor de Regents en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto de Tecnología de Georgia. "Esta tecnología, que se basa en nanocables de óxido de zinc, permite la comunicación entre una acción mecánica en el mundo biológico y los dispositivos convencionales en el mundo electrónico ”.
La investigación se publicó en línea el 22 de junio en la revista Nano Letters. El trabajo fue patrocinado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA), la Fundación Nacional de Ciencias (NSF), la Fuerza Aérea de EE. UU. y el Departamento de Energía de EE. UU.
En transistores convencionales, el flujo de corriente entre una fuente y un drenaje se controla mediante un voltaje de puerta aplicado al dispositivo. Ese voltaje de puerta determina si el dispositivo está encendido o apagado.
Los dispositivos de memoria piezotrónica desarrollados por Wang y el estudiante graduado Wenzhuo Wu aprovechan el hecho de que los materiales piezoeléctricos como el óxido de zinc producen un potencial de carga cuando se deforman mecánicamente o se someten a tensión. Estos dispositivos PRM utilizan la carga piezoeléctrica creada por la deformación para controlar la corriente que fluye a través de los nanocables de óxido de zinc que se encuentran en el corazón de los dispositivos, el principio básico de la piezotrónica. La carga crea polaridad en los nanocables y aumenta la resistencia eléctrica de manera muy similar al voltaje de puerta en un transistor convencional.
“Estamos reemplazando la aplicación de un voltaje externo con la producción de un voltaje interno, Wang explicó. “Dado que el óxido de zinc es tanto piezoeléctrico como semiconductor, cuando se cuela el material con una acción mecánica, creas un piezopotencial. Este piezopotencial sintoniza el transporte de carga a través de la interfaz, en lugar de controlar el ancho del canal como en los transistores de efecto de campo convencionales ”.
Una matriz de células de memoria resistiva modulada piezoeléctricamente (PRM) se muestra en estudio en un microscopio óptico. Crédito:Gary Meek
La tensión mecánica podría provenir de actividades mecánicas tan diversas como firmar un nombre con un bolígrafo, el movimiento de un actuador en un nanorobot, o actividades biológicas del cuerpo humano como los latidos del corazón.
"Controlamos el flujo de carga a través de la interfaz mediante tensión, Wang explicó. "Si no tienes tensión, la carga fluye normalmente. Pero si aplica una tensión, el voltaje resultante crea una barrera que controla el flujo ".
La conmutación piezotrónica afecta a la corriente que fluye en una sola dirección, dependiendo de si la deformación es de tracción o de compresión. Eso significa que la memoria almacenada en los dispositivos piezotrónicos tiene tanto un signo como una magnitud. La información de esta memoria se puede leer, procesados y almacenados a través de medios electrónicos convencionales.
Aprovechando las técnicas de fabricación a gran escala para matrices de nanocables de óxido de zinc, Los investigadores de Georgia Tech han construido memorias de conmutación resistivas no volátiles para su uso como medio de almacenamiento. Han demostrado que estos dispositivos piezotrónicos se pueden escribir, que la información se puede leer de ellos, y que se pueden borrar para su reutilización. Aproximadamente 20 de las matrices se han construido hasta ahora para realizar pruebas.
Los nanocables de óxido de zinc, que tienen aproximadamente 500 nanómetros de diámetro y aproximadamente 50 micrones de largo, se producen con un proceso físico de deposición de vapor que utiliza un horno de alta temperatura. Luego, las estructuras resultantes se tratan con plasma de oxígeno para reducir el número de defectos cristalinos, lo que ayuda a controlar su conductividad. Luego, las matrices se transfieren a un sustrato flexible.
"El voltaje de conmutación es ajustable, dependiendo del número de vacantes de oxígeno en la estructura, Dijo Wang. "Cuantos más defectos elimines con el plasma de oxígeno, cuanto mayor sea el voltaje que se requerirá para impulsar el flujo de corriente ".
Las células de memoria piezotrónicas operan a bajas frecuencias, que sean apropiados para el tipo de señales generadas biológicamente que registrarán, Dijo Wang.
La imagen muestra una matriz de celdas de memoria resistiva modulada piezoeléctricamente (PRM) en las que se han modelado electrodos metálicos mediante litografía. Crédito:Gary Meek
Estos elementos de memoria piezotrónica proporcionan otro componente necesario para fabricar sistemas nanoelectromecánicos autoamplificados (NEMS) completos en un solo chip. El equipo de investigación de Wang ya ha demostrado otros elementos clave como los nanogeneradores, sensores y transmisores inalámbricos.
“Estamos dando otro paso hacia el objetivo de sistemas completos autoamplificados, Dijo Wang. “Los desafíos ahora son hacerlos lo suficientemente pequeños como para integrarlos en un solo chip. Creemos que estos sistemas resolverán problemas importantes en la vida de las personas ".
Wang cree que esta nueva memoria será cada vez más importante a medida que los dispositivos se conecten más estrechamente a las actividades humanas individuales. La capacidad de construir estos dispositivos sobre sustratos flexibles significa que se pueden usar en el cuerpo, y con otros dispositivos electrónicos que ahora se construyen con materiales que no son el silicio tradicional.
"A medida que las computadoras y otros dispositivos electrónicos se vuelven más personalizados y parecidos a los humanos, necesitaremos desarrollar nuevos tipos de señales, interconectando acciones mecánicas con la electrónica, ”Dijo. "Los materiales piezoeléctricos proporcionan la forma más sensible de traducir estas suaves acciones mecánicas en señales electrónicas que pueden ser utilizadas por dispositivos electrónicos".
