211service.com
Nano-brytere laget av grafen kan gjøre elektronikken vår enda mindre
Hal Gatewood | Unsplash
Sjansen er stor for at du eier en mikroelektromekanisk enhet - sannsynligvis dusinvis av dem. Disse enhetene fyller den moderne verden. De muliggjør akselerometrene i smarttelefoner, mikrofonene i bærbare datamaskiner og mikrospeilene i digitale projektorer, for bare å nevne noen.
De er vanligvis noen få mikrometer store, små etter alle standarder. Men forskere og ingeniører vil ha dem enda mindre - på nanometerskalaen, hvis mulig. I den størrelsen kan disse maskinene fungere som enkle brytere i logikk- og minneenheter, noe som øker muligheten for kraftigere og mer effektive databehandlingsenheter.
Disse mikromaskinene er vanligvis skåret inn i silisiumbrikker. Men etter hvert som de blir mindre, blir silisiumbrytere mindre effektive fordi de lekker strøm når de er av. Et bedre alternativ er en grafenbryter, som er enkel å skjære ut i nanometerskala og relativt grei å bygge inn i konvensjonelle silisiumbrikker. Den lekker heller ikke når den er av.
Men det er et problem. Når grafen berører silisium, har det en tendens til å feste seg raskt. Se for deg en bryter som består av en fleksibel grafenstang som danner en krets når stangen berører en silisiumelektrode. Hvis stangen fester seg til elektroden, kan den ikke slås av igjen.
Dette problemet er kjent som stiction. Og til tross for betydelige økonomiske investeringer i grafenforskning fra regjeringer over hele verden, har ingen funnet en god måte å løse det på.
Gå inn i Kulothungan Jothiramalingam ved Japan Advanced Institute of Science and Technology og kolleger, som har funnet en løsning. Ved å bruke den har de laget grafenbaserte nanoelektromekaniske enheter som kan fungere som brytere og til og med som logiske porter.
Metoden deres er grei. De belegger en silisiumbrikke med nanokrystallinsk grafen, som fester seg raskt til overflaten. Deretter dekker de dette med et lag med hydrogensilsesquioksan, som fungerer som resist og kan skjæres ut i ulike former. På toppen av dette legger de enda et lag med grafen.
Trikset er å skjære ut det øverste laget av grafen til en stangform som er forankret i begge ender av elektroder. Deretter fjerner de hydrogensilsesquioksanlaget under en del av grafenstangen for å la det henge over grafenlaget.
Det er enkelt å bøye denne stangen. En potensiell forskjell mellom lagene skaper en kraft som bøyer stangen mot brikken. Når den berører denne nedre overflaten, danner den en krets, en prosess som kan utnyttes for logikk og for datalagring.
Det er bryteren. Og fordi de to overflatene som kommer i kontakt begge er grafen, er det ingen stikk. Ved å slå av potensialforskjellen frigjøres stangen, som springer tilbake til sin opprinnelige posisjon.
Jothiramalingam og co brukte denne tilnærmingen til å bygge en rekke prinsippfaste nano-svitsjer, inkludert enkeltsvitsjer og en array. De sier at enhetene fungerer bra med lave spenninger på bare 1,5 volt, og at i av-tilstand er det svært lite strømlekkasje fordi grafenstengene er godt isolert fra andre ledende lag.
Det er imidlertid noen utfordringer. For eksempel må formen og størrelsen på grafenstrålen og dens avstand fra det nedre laget optimaliseres for å oppnå pålitelig veksling. Men dette burde være et enkelt ingeniørproblem.
Når det er løst, blir mer komplekse enheter mulig. Teamet har designet en rekke mer komplekse brytere, inkludert en OG-logisk port og en tre-terminal bryter der de plasserer tre lag med grafen oppå hverandre, atskilt med et isolerende lag av hydrogensilsesquioksan.
Det er interessant arbeid med potensial til å gjøre nanoelektromekaniske enheter enda mindre, basert på løftet om vidundermaterialet som er grafen.
Ref: arxiv.org/abs/1901.07754 : Stabling av nanokrystallinsk grafen for nano-elektromekaniske (NEM) aktuatorapplikasjoner