يمكن استخدام هذه الأجهزة، التي تشمل الترانزستورات والثنائيات، في مكونات الروبوتات على مقياس النانومتر، وفي الأنظمة الكهروميكانيكية النانوية/الدقيقة وفي أجهزة التدفق الدقيق.
قام الباحثون في معهد جورجيا للتكنولوجيا بتطوير عائلة جديدة من الأجهزة الإلكترونية ذات البوابات المنطقية التي يتم فيها تبديل التيار باستخدام مجال كهربائي تم إنشاؤه بواسطة الضغط الميكانيكي على أسلاك أكسيد الزنك النانوية.
يمكن استخدام هذه الأجهزة، التي تشمل الترانزستورات والثنائيات، في مكونات الروبوتات على مقياس نانومتر، وفي الأنظمة الكهروميكانيكية النانوية/الدقيقة، وفي أجهزة التدفق الدقيق. يمكن أن يكون الإجراء الميكانيكي المستخدم لبدء الضغط بسيطًا مثل الضغط على زر، أو تدفق السائل، أو شد العضلات، أو دفع المكونات الآلية.
في الترانزستورات ذات التأثير الميداني التقليدية (FETs)، تكون مفاتيح المجال الكهربائي - أو "البوابات" - مسؤولة عن مرور التيار الكهربائي عبر أشباه الموصلات. بدلاً من استخدام المجال الكهربائي، تقوم الأجهزة المنطقية المبتكرة بإنشاء مجال التبديل من خلال التشوه الميكانيكي لأسلاك أكسيد الزنك. يحدث التشوه بسبب الضغط الميكانيكي في الأسلاك النانوية، أثناء استقبال مجال كهربائي بسبب التأثير الكهرضغطي - استقبال الشحنات الكهربائية في بعض المواد البلورية بسبب الضغط الميكانيكي.
وقال تشونغ لين وانغ، الأستاذ في كلية علوم وهندسة المواد في معهد جورجيا للتكنولوجيا: "عندما نضغط على السلك النانوي الموضوع بين قطبين كهربائيين معدنيين، فإننا نخلق مجالاً قوياً بما يكفي ليكون بمثابة تيار التبديل". تكنولوجيا. "هذا النوع من الأجهزة يمكن أن يسمح بدمج التشغيل الميكانيكي مع المكونات الإلكترونية، ويمكن أن يشكل الأساس لأجهزة جديدة للبوابات المنطقية التي تستخدم القدرة الكهرضغطية بدلاً من التيار الناشئ من البوابة."
ويطلق الباحث وانغ، الذي نشر سلسلة من المقالات حول هذه الأجهزة في المجلات العلمية مثل Nano Letters و Advanced Materials و Applied Physics Letters، على هذه العائلة الجديدة من أجهزة النانومتر اسم "الإلكترونيات الضغطية" لأنها تستخدم القدرة الكهرضغطية من أجل التنظيم والتبديل. عملية نقل الشحنة الكهربائية في أشباه الموصلات. تعتمد الأجهزة على الخصائص الفريدة للهياكل النانوية لأكسيد الزنك، وهي شبه موصلة وكهرضغطية.
تنضم الترانزستورات والثنائيات الجديدة إلى عائلة الأجهزة النانوية التي طورها الباحث وفريقه البحثي، ويمكن دمجها في أنظمة تعتمد جميع مكوناتها على نفس المادة - أكسيد الزنك. وقد أبلغ هؤلاء الباحثون سابقًا عن تطوير مولدات النانومتر التي تولد الكهرباء من خلال تحويل الحركة الميكانيكية من البيئة، وأجهزة استشعار أسلاك متناهية الصغر لقياس الرقم الهيدروجيني والكشف عن الأشعة فوق البنفسجية.
يوضح الباحث: "يمكن دمج مجموعة الأجهزة التي طورناها معًا لإنشاء أنظمة نانومترية مستقلة ذاتية الدفع". "من الممكن إعداد أنظمة معقدة تعتمد بالكامل على أسلاك أكسيد الزنك النانوية التي تتمتع بقدرات الذاكرة والمعالجة والاستشعار، وكلها مدعومة بالطاقة الكهربائية المأخوذة من البيئة."
باستخدام الترانزستورات القائمة على مفاتيح الضغط المتصلة بركيزة بوليمر مرنة، تمكن الباحثون من إظهار العمليات المنطقية الأساسية - بما في ذلك بوابات NOR وXOR وNAND ووظائف الإرسال المتعدد (جهاز تعدد الإرسال - يجمع بين إدخال البيانات من عدة قنوات ويرسلها في وقت واحد مخرج واحد في نطاق اتصال واسع) / مزيل تعدد الإرسال (مزيل تعدد الإرسال) - ببساطة عن طريق تطبيق أنواع مختلفة من الضغط على أسلاك أكسيد الزنك النانوية. لقد تمكنوا أيضًا من إنشاء عاكس عن طريق وضع ترانزستور يحمل علامة الضغط على جانبي الركيزة المرنة. وأضاف الباحث: "باستخدام الترانزستور الجديد الخاص بنا ككتلة بناء، أصبحنا قادرين على صنع بوابات معقدة". "هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام الإجراء الميكانيكي لإنشاء إجراء منطقي."
يتكون الترانزستور الذي يعمل بالضغط من سلك نانوي واحد من أكسيد الزنك، طرفاه - قطبي المصدر والصرف - مثبتان على ركيزة بوليمر من خلال اتصال معدني. يؤدي ثني الأجهزة إلى عكس القطبية حيث يتغير المصدر من حالة مضغوطة إلى حالة ممتدة على كلا الجانبين.
تعمل الأجهزة بترددات منخفضة - تشبه تلك التي تنشأ عن التفاعل بين الإنسان وبيئته - ولن تنافس الترانزستورات العادية المعتمدة على CMOS (أشباه الموصلات المعدنية التكميلية) من حيث السرعة المستخدمة في التطبيقات الشائعة. ويضيف الباحث أن الأجهزة تستجيب لقوى ميكانيكية ضعيفة للغاية.
وتمكنت مجموعة البحث أيضًا من التحكم في موصلية الأجهزة النانوية لأكسيد الزنك من خلال استخدام شعاع الليزر الذي يستغل الخصائص الضوئية الفريدة للمادة. ويشير الباحث إلى أن "الليزر يحسن موصلية الهيكل". "إن تأثير الليزر يتعارض مع تأثير الخاصية الكهرضغطية."
يطلق الباحث على أجهزته الجديدة التي تتكون من مزيج من الخصائص الكهرضغطية والفوتونية وأشباه الموصلات اسم "الأجهزة الكهرضغطية الضوئية".
صنعت مجموعة البحث أيضًا أجهزة بوابة منطقية هجينة تستخدم أسلاك أكسيد الزنك النانوية للتحكم في التيار الذي يتم توصيله عبر أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار.
