Nano-przełączniki wykonane z grafenu mogą sprawić, że nasza elektronika będzie jeszcze mniejsza

Hal Gatewood | Unsplash

Są szanse, że posiadasz urządzenie mikroelektromechaniczne – prawdopodobnie dziesiątki. Te urządzenia wypełniają współczesny świat. Umożliwiają między innymi akcelerometry w smartfonach, mikrofony w laptopach i mikrolustra w projektorach cyfrowych.

Zwykle mają rozmiar kilku mikrometrów i są małe według wszelkich standardów. Ale naukowcy i inżynierowie chcą, aby były jeszcze mniejsze – w skali nanometrycznej, jeśli to możliwe. Przy tej wielkości maszyny te mogą działać jako proste przełączniki w urządzeniach logicznych i pamięciowych, co stwarza perspektywę potężniejszych i wydajniejszych urządzeń do przetwarzania danych.

Te mikromaszyny są zazwyczaj rzeźbione w chipach krzemowych. Jednak w miarę jak stają się mniejsze, przełączniki krzemowe stają się mniej wydajne, ponieważ przepuszczają prąd, gdy są wyłączone. Lepszą opcją jest przełącznik grafenowy, który jest łatwy do wyrzeźbienia w skali nanometrowej i stosunkowo prosty do wbudowania w konwencjonalne chipy krzemowe. Ani nie upływa prądu, gdy jest wyłączony.

Ale jest problem. Gdy grafen styka się z krzemem, ma tendencję do szybkiego przyklejania się. Wyobraź sobie przełącznik składający się z elastycznego pręta grafenowego, który tworzy obwód, gdy pręt dotyka elektrody krzemowej. Jeśli pręt przykleja się do elektrody, nie można go ponownie wyłączyć.

Ten problem jest znany jako stiction. I pomimo znacznych nakładów finansowych rządów na badania nad grafenem na całym świecie, nikt nie znalazł dobrego sposobu na rozwiązanie tego problemu.

Wchodzi Kulotungan Jothiramalingam z Japan Advanced Institute of Science and Technology wraz z kolegami, którzy znaleźli rozwiązanie. Korzystając z niego, stworzyli nanoelektromechaniczne urządzenia na bazie grafenu, które mogą pełnić rolę przełączników, a nawet bramek logicznych.

Ich metoda jest prosta. Powlekają chip krzemowy nanokrystalicznym grafenem, który szybko przykleja się do powierzchni. Następnie pokrywają to warstwą silseskwioksanu wodorowego, który działa jak maska ​​i może być rzeźbiony w różne kształty. Do tego nakładają kolejną warstwę grafenu.

Sztuczka polega na wyrzeźbieniu górnej warstwy grafenu w kształt pręta, który jest zakotwiczony na obu końcach elektrodami. Następnie usuwają warstwę wodorosiloseskwioksanu pod częścią pręta grafenowego, aby pozostawić ją zawieszoną nad warstwą grafenową.

Zginanie tego pręta jest proste. Różnica potencjałów między warstwami tworzy siłę, która zgina sztabkę w kierunku chipa. Kiedy dotyka tej dolnej powierzchni, tworzy obwód, proces, który można wykorzystać do logiki i przechowywania danych.

To jest przełącznik. A ponieważ dwie stykające się ze sobą powierzchnie są grafenem, nie ma styczności. Wyłączenie różnicy potencjałów powoduje zwolnienie pręta, który powraca do pierwotnego położenia.

Jothiramalingam i współpracownicy wykorzystali to podejście do zbudowania różnych sprawdzonych nanoprzełączników, w tym pojedynczych przełączników i macierzy. Mówią, że urządzenia działają dobrze przy niskim napięciu zaledwie 1,5 wolta, a w stanie wyłączonym upływ prądu jest bardzo niewielki, ponieważ pręty grafenowe są dobrze izolowane od innych warstw przewodzących.

Jest jednak kilka wyzwań. Na przykład kształt i rozmiar wiązki grafenowej oraz jej odległość od dolnej warstwy muszą być zoptymalizowane, aby uzyskać niezawodne przełączanie. Ale to powinien być prosty problem inżynieryjny.

Gdy to zostanie rozwiązane, możliwe stają się bardziej złożone urządzenia. Zespół zaprojektował szereg bardziej złożonych przełączników, w tym bramkę logiczną AND i przełącznik z trzema końcówkami, w których umieszcza się trzy warstwy grafenu jedna na drugiej, oddzielone izolacyjną warstwą silseskwioksanu wodoru.

To interesująca praca, która może sprawić, że urządzenia nanoelektromechaniczne będą jeszcze mniejsze, w oparciu o obietnicę cudownego materiału, jakim jest grafen.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1901.07754 : Układanie w stos nanokrystalicznego grafenu do zastosowań z siłownikami nanoelektromechanicznymi (NEM)

ukryć