16/10/2010
Los investigadores del Instituto Tecnológico de Georgia, han desarrollado una nueva clase de dispositivo electrónico, en el que la lógica actual se cambia, por un campo eléctrico generado, por la aplicación de una tensión mecánica de Nanocables de óxido de zinc.
Los dispositivos, que incluyen transistores y diodos, se podrían utilizar en robótica a escala manométrica, sistemas nano-electromecánicos (NEMS), sistemas micro-electromecánicos (MEMS), y dispositivos de micro fluidos. La acción mecánica utilizada para iniciar la cepa, podría ser tan simple como pulsar un botón, o ser creados por el flujo de un líquido, el estiramiento de los músculos o el movimiento de un componente robótico.
En los transistores de efecto de campo tradicionales, un campo de interruptores eléctricos, o "puertas", el flujo de corriente eléctrica a través de un semiconductor. En lugar de utilizar una señal eléctrica, los dispositivos de nueva lógica crear el campo de la conmutación por deformación mecánica Nanocables de óxido de zinc. La deformación crea tensión en los Nanocables, lo que genera un campo eléctrico a través del efecto piezoeléctrico, que crea una carga eléctrica en ciertos materiales cristalinos, cuando están sometidos a esfuerzos mecánicos.
"Cuando se aplica una tensión a un nanocable, colocado entre dos electrodos metálicos, creamos un campo, que es lo suficientemente fuerte como para servir de la tensión de una puerta," dijo Zhong Lin Wang, profesor regente en la Escuela de Georgia Tech, de Ciencia de los Materiales e Ingeniería. "Este tipo de dispositivo que permita una acción mecánica, que se interconectarán con la electrónica, y podría ser la base para una nueva forma de dispositivo de lógica, que utiliza el potencial piezoeléctricos en lugar de un voltaje de la puerta."
Wang, quien ha publicado una serie de artículos sobre los dispositivos en revistas como Nano Letters, Materiales Avanzados y Applied Physics Letters, llama a esta nueva clase de escala manométrica, dispositivo "Piezotronics", ya que el uso potencial piezoeléctrico, para ajustar el precio del transporte y la puerta proceso en semiconductores. Los dispositivos, se basan en las propiedades únicas de nanoestructuras de óxido de zinc, que son semiconductores y piezoeléctricos.
Los transistores y diodos, a añadir a la familia de nanodispositivos desarrollado por Wang y su equipo de investigación, que podrían combinarse en los sistemas en los que todos los componentes se basen en el material de óxido de zinc. Los investigadores han anunciado previamente el desarrollo de generadores de escala manométrica, que generan un voltaje, al convertir el movimiento mecánico del medio ambiente, y los sensores de nanocables para medir el pH, y la detección de la luz ultravioleta.
"La familia de productos que hemos desarrollado, se pueden unir para crear sistemas de nanoescala autoalimentado, autónoma e inteligente", dijo Wang. "Podemos crear complejos sistemas totalmente basados en nanocables de óxido de zinc, que tiene memoria, el procesamiento y las capacidades de detección alimentado, por energía eléctrica rescatada del medio ambiente."
Utilizando transistores cerrados de cepa, fabricados en un sustrato de polímero flexible, los investigadores han demostrado las operaciones básicas lógicas, incluyendo NOR, XOR y NAND y el multiplexor de funciones, simplemente la aplicación de distintos tipos de cepa a los nanocables de óxido de zinc. También se ha creado un inversor, mediante la colocación de los transistores cerrando la tensión, en ambos lados de un sustrato flexible.
"Uso de la cepa del transistor cerrado, como un bloque de construcción, podemos construir la lógica complicada", agregó Wang. "Esta es la primera vez que una acción mecánica, se ha utilizado para crear una operación de la lógica."
Un transistor con cepa dependientes, se hace de un nanocables de óxido de zinc, solo con sus dos extremos, la fuente y los electrodos de drenaje,se fija a un sustrato de polímero, por los contactos de metal. Al Flexionar los dispositivos invierte su polaridad, como los cambios de la tensión de compresión a la tracción en los lados opuestos.
Los dispositivos funcionan a bajas frecuencias, el tipo creado por la interacción humana y el medio ambiente, y no pondría en entredicho los transistores CMOS tradicionales, para la velocidad en las aplicaciones convencionales. Los dispositivos de responder a las fuerzas mecánicas muy pequeñas, Wang señaló.
Esta imagen tomada con microscopio de electrones muestra una imagen transversal de un transistor accionado por tensión. El nanocable de óxido de zinc, de 25 nanómetros de diámetro, está incrustado en un polímero (el área de color negro), lo que permite que la región superior se mueva libremente.
Fuente: ACS/Nano Letters
El grupo del Tecnológico de Georgia, también ha aprendido a controlar la conductividad en nanodispositivos óxido de zinc, con emisiones de láser que se aprovechan de las propiedades únicas de excitación de fotos del material. Cuando la luz ultravioleta de un láser, logra un contacto con el metal unido, a una estructura de óxido de zinc, se crean pares electrón-hueco, que cambia la altura de la barrera de Schottky, en el contacto del óxido de cinc-metal.
Estas características cambiantes de la conductividad, de las emisiones de láser se pueden utilizar en conjunto con alteraciones en la tensión mecánica, para proporcionar un control más preciso sobre las capacidades de realización de un dispositivo.
"El láser mejora la conductividad de la estructura", señaló Wang. "El efecto del láser, está en contraste con el efecto piezoeléctrico. El efecto del 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 el acoplamiento de la excitación piezoeléctrica de fotones, y las propiedades de los dispositivos semiconductores "piezo-phototronic".
El grupo de investigación, también ha creado la lógica de dispositivos híbridos que utilizan Nanocables de óxido de zinc, para controlar la corriente en movimiento a través de nanotubos de carbono de pared simple. Los nanotubos, los cuales fueron producidos por investigadores de la Universidad de Duke, pueden ser del tipo p o n.
La investigación ha sido financiada por la National Science Foundation (NSF), la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), y el Departamento de Energía de EE.UU. (DOE). Además de Wang, el equipo de investigación incluye Wenzhuo Wu, Wei Yaguang, Youfan Hu, Liu Weihua, Lee Minbaek, Zhang Yan, Chang Yanling, Xiang Shu, Ding Lei, Liu Jie y Robert Snyder.
"Nuestro trabajo con dispositivos de presión cerrada, proporciona un nuevo enfoque a las operaciones de la lógica, que lleva a cabo acciones mecánico-eléctrica en una unidad estructural utilizando un solo material", señaló Wang. "Estos transistores podrían proporcionar nuevas capacidades de procesamiento de la memoria en dispositivos muy pequeños y portátiles."
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Atlanta, Georgia 30308 EE.UU.
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Escrito por: John Toon
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