Usando haces de nanocables verticales de óxido de zinc, Los investigadores han fabricado matrices de transistores piezotrónicos capaces de convertir el movimiento mecánico directamente en señales de control electrónicas. Las matrices podrían ayudar a que los robots tengan un sentido del tacto más adaptable, brindan mayor seguridad en firmas manuscritas y ofrecen nuevas formas para que los humanos interactúen con dispositivos electrónicos.

Las matrices incluyen más de 8, 000 transistores piezotrónicos en funcionamiento, cada uno de los cuales puede producir independientemente una señal de control electrónico cuando se coloca bajo tensión mecánica. Estos transistores sensibles al tacto, denominados "taxels", podrían proporcionar mejoras significativas en la resolución, sensibilidad y operaciones activas / adaptativas en comparación con las técnicas existentes para la detección táctil. Su sensibilidad es comparable a la de la yema de un dedo humano.

Los taxels alineados verticalmente operan con transistores de dos terminales. En lugar de un tercer terminal de puerta utilizado por transistores convencionales para controlar el flujo de corriente que pasa a través de ellos, Los taxels controlan la corriente con una técnica llamada "tensión de control". La compuerta de tensión basada en el efecto piezotrónico utiliza las cargas eléctricas generadas en la interfaz de contacto de Schottky por el efecto piezoeléctrico cuando los nanocables se someten a tensión mediante la aplicación de fuerza mecánica.

La investigación se informará el 25 de abril en la revista Ciencias en línea, en el Science Express sitio web, y se publicará en una versión posterior de la revista impresa. Ciencias .

"Cualquier movimiento mecánico, como el movimiento de brazos o dedos de un robot, podría traducirse en señales de control, "explicó Zhong Lin Wang, profesor de Regents y presidente de Hightower en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto de Tecnología de Georgia. "Esto podría hacer que la piel artificial sea más inteligente y más parecida a la piel humana. Permitiría que la piel sienta actividad en la superficie".

Imitar el sentido del tacto de forma electrónica ha sido un desafío, y ahora se realiza midiendo los cambios en la resistencia provocados por el tacto mecánico. Los dispositivos desarrollados por los investigadores de Georgia Tech se basan en un fenómeno físico diferente:pequeñas cargas de polarización que se forman cuando los materiales piezoeléctricos como el óxido de zinc se mueven o se someten a tensión. En los transistores piezotrónicos, las cargas piezoeléctricas controlan el flujo de corriente a través de los cables tal como lo hacen los voltajes de compuerta en los transistores convencionales de tres terminales.

La técnica solo funciona en materiales que tienen propiedades tanto piezoeléctricas como semiconductoras. Estas propiedades se observan en nanocables y películas delgadas creadas a partir de las familias de materiales de mezcla de wurtzita y zinc. que incluye óxido de zinc, nitruro de galio y sulfuro de cadmio.

En su laboratorio, Wang y sus coautores, el becario postdoctoral Wenzhuo Wu y el asistente de investigación graduado Xiaonan Wen, fabricaron matrices de transistores de 92 por 92. Los investigadores utilizaron una técnica de crecimiento químico a aproximadamente 85 a 90 grados Celsius, lo que les permitió fabricar matrices de transistores piezotrónicos verticales con apertura de tensión en sustratos que son adecuados para aplicaciones de microelectrónica. Los transistores están formados por paquetes de aproximadamente 1, 500 nanocables individuales, cada nanoalambre entre 500 y 600 nanómetros de diámetro.

En los dispositivos de matriz, los transistores piezotrónicos verticales activos de apertura por deformación están intercalados entre los electrodos superior e inferior hechos de óxido de indio y estaño alineados en configuraciones de barra transversal ortogonal. Se deposita una fina capa de oro entre las superficies superior e inferior de los nanocables de óxido de zinc y los electrodos superior e inferior. formando contactos Schottky. A continuación, se recubre el dispositivo con una fina capa del polímero Parileno como barrera contra la humedad y la corrosión.

La densidad de la matriz es de 234 píxeles por pulgada, la resolución es mejor que 100 micrones, y los sensores son capaces de detectar cambios de presión tan bajos como 10 kilopascales, resolución comparable a la de la piel humana. Dijo Wang. Los investigadores de Georgia Tech fabricaron varios cientos de matrices durante un proyecto de investigación que duró casi tres años.

Las matrices son transparentes, lo que podría permitir su uso en paneles táctiles u otros dispositivos para la toma de huellas dactilares. También son flexibles y plegables, ampliando la gama de usos potenciales.

Entre las posibles aplicaciones:

• Grabación de firmas multidimensionales, en el que no solo se incluirían los gráficos de la firma, sino también la presión ejercida en cada lugar durante la creación de la firma, y la velocidad a la que se crea la firma.
• Detección adaptativa de forma en la que se mide un cambio en la forma del dispositivo. Esto sería útil en aplicaciones como piel artificial / protésica, Tratamientos biomédicos inteligentes y robótica inteligente en los que las matrices sentirían lo que estaba en contacto con ellas.
• Detección táctil activa en la que se emulan las operaciones fisiológicas de los mecanorreceptores de entidades biológicas como los folículos pilosos o los pelos de la cóclea.

Debido a que las matrices se utilizarían en aplicaciones del mundo real, los investigadores evaluaron su durabilidad. Los dispositivos siguieron funcionando después de 24 horas sumergidos tanto en solución salina como en agua destilada.

El trabajo futuro incluirá la producción de matrices de taxel a partir de nanocables individuales en lugar de paquetes, e integrar las matrices en dispositivos de silicio CMOS. El uso de cables individuales podría mejorar la sensibilidad de las matrices en al menos tres órdenes de magnitud, Dijo Wang.

"Esta es una tecnología fundamentalmente nueva que nos permite controlar dispositivos electrónicos directamente mediante agitación mecánica, Wang agregó. Esto podría usarse en una amplia gama de áreas, incluida la robótica, MEMS, interfaces hombre-computadora y otras áreas que involucran deformaciones mecánicas ".