211service.com
Nanospínače vyrobené z grafenu by mohly naši elektroniku ještě zmenšit
Hal Gatewood | Unsplash
Je pravděpodobné, že vlastníte mikroelektromechanické zařízení – pravděpodobně jich desítky. Tato zařízení naplňují moderní svět. Umožňují akcelerometry v chytrých telefonech, mikrofony v laptopech a mikrozrcadla v digitálních projektorech, abychom jmenovali jen některé.
Obvykle mají velikost několika mikrometrů, podle všech norem jsou malé. Ale vědci a inženýři je chtějí ještě menší – pokud možno v nanometrovém měřítku. Při této velikosti mohou tyto stroje fungovat jako jednoduché přepínače v logických a paměťových zařízeních, což zvyšuje vyhlídky na výkonnější a efektivnější zařízení pro zpracování dat.
Tyto mikrostroje jsou obecně vyřezávané do křemíkových čipů. Ale jak se zmenšují, křemíkové spínače se stávají méně účinnými, protože uniká proud, když jsou vypnuté. Lepší variantou je grafenový spínač, který lze snadno vyřezat v nanometrovém měřítku a poměrně snadno jej zabudovat do běžných křemíkových čipů. Ani z něj neuniká proud, když je vypnutý.
Ale je tu problém. Když se grafen dotkne křemíku, má tendenci se rychle lepit. Představte si spínač sestávající z pružné grafenové tyče, která tvoří obvod, když se tyč dotýká křemíkové elektrody. Pokud se tyč přilepí k elektrodě, nelze ji znovu vypnout.
Tento problém je známý jako stiction. A navzdory značným finančním investicím vlád po celém světě do výzkumu grafenu nikdo nenašel dobrý způsob, jak to vyřešit.
Zadejte Kulothungan Jothiramalingam na Japan Advanced Institute of Science and Technology a kolegové, kteří našli řešení. Pomocí něj vytvořili nanoelektromechanická zařízení na bázi grafenu, která mohou fungovat jako spínače a dokonce jako logická hradla.
Jejich metoda je přímočará. Potahují křemíkový čip nanokrystalickým grafenem, který rychle přilne k povrchu. Tu pak překryjí vrstvou vodíkového silsesquioxanu, který působí jako odpor a lze jej vyřezávat do různých tvarů. Navrch položí další vrstvu grafenu.
Trik spočívá ve vyřezání horní vrstvy grafenu do tvaru tyče, která je na obou koncích ukotvena elektrodami. Poté odstraní vodíkovou silsesquioxanovou vrstvu pod částí grafenové tyčinky, aby ji nechali zavěšenou nad grafenovou vrstvou.
Ohýbání této tyče je jednoduché. Potenciální rozdíl mezi vrstvami vytváří sílu, která ohýbá tyč směrem k čipu. Když se dotkne tohoto spodního povrchu, vytvoří obvod, proces, který lze využít pro logiku a pro ukládání dat.
To je přepínač. A protože oba povrchy, které přicházejí do kontaktu, jsou oba grafenové, nedochází k žádnému lepení. Vypnutím potenciálového rozdílu se uvolní tyč, která se vrátí do původní polohy.
Společnost Jothiramalingam a spol. použili tento přístup k vybudování řady nanopřepínačů s ověřeným principem, včetně jednotlivých přepínačů a pole. Říká se, že zařízení fungují dobře s nízkým napětím pouhých 1,5 voltu a že ve vypnutém stavu dochází k velmi malému úniku proudu, protože grafenové tyče jsou dobře izolovány od ostatních vodivých vrstev.
Existují však určité výzvy. Například tvar a velikost paprsku grafenu a jeho vzdálenost od spodní vrstvy je potřeba optimalizovat, aby bylo dosaženo spolehlivého přepínání. Ale to by měl být přímo inženýrský problém.
Jakmile se to vyřeší, budou možná složitější zařízení. Tým navrhl řadu složitějších přepínačů včetně logického hradla AND a tříkoncového přepínače, ve kterém na sebe umisťují tři vrstvy grafenu oddělené izolační vrstvou vodíku silsesquioxanu.
To je zajímavá práce s potenciálem udělat nanoelektromechanická zařízení ještě menší, na základě příslibu zázračného materiálu, kterým je grafen.
Ref: arxiv.org/abs/1901.07754 : Stohování nanokrystalického grafenu pro aplikace nano-elektromechanických (NEM) aktuátorů