211service.com
Praktyczne nanomaszyny grafenowe
Wiele współczesnej elektroniki użytkowej opiera się na mikroskopijnych maszynach. Te małe urządzenia można znaleźć w czujnikach ruchu smartfonów, atramentowych głowicach drukujących i przełącznikach, które aktywują niektóre piksele wyświetlacza, żeby wymienić tylko kilka elementów.
Produkcja maszyn: Przezroczysty arkusz grafenu jest naciągnięty na powierzchnię tego wafla krzemowego. Grafen może oscylować nad otworami w krzemie pod spodem, działając jak urządzenie nanomechaniczne zwane rezonatorem.
Zmniejszenie tych maszyn elektromechanicznych do nanoskali umożliwiłoby powstanie nowych urządzeń, takich jak niezwykle czułe czujniki chemiczne, niewiarygodnie precyzyjne akcelerometry i superszybkie przełączniki obwodów scalonych. W ważnym kroku w kierunku tego celu naukowcy z Cornell University stworzyli duże macierze rezonatorów w nanoskali przy użyciu grafenu.
Cienka jak atom forma węgla, zwana grafenem, jest jednym z najbardziej obiecujących materiałów do wytwarzania systemów nanoelektromechanicznych (NEMS). Grafen jest najsilniejszym znanym materiałem i najbardziej przewodzącym elektryczność. Grafen jest cienki jak atom, co oznacza, że jest on również niezwykle lekki i może się bardzo szybko poruszać. Profesor fizyki Cornella Paul McEuen mówi, że grafen można wykorzystać do budowy dużej liczby nanourządzeń za pomocą sprzętu opracowanego do wytrawiania chipów krzemowych na płaskich waflach. Jednak budowanie mechanicznych nanomaszyn z grafenu jest wyzwaniem, a większość z dotychczas stworzonych urządzeń była unikatami.
McEuen i kolega profesor Cornell Harold Craighead wykazali teraz, że mogą wytwarzać nanourządzenia grafenowe zwane rezonatorami na powierzchni płytki krzemowej. Każdy rezonator jest wykonany z warstwy grafenu, która oscyluje tam iz powrotem, jak trampolina poruszająca się w górę iw dół, w odpowiedzi na siłę mechaniczną przyłożoną do jego powierzchni lub na pole elektryczne.
Grupa Cornell jako pierwsza wytrawiła rowki w powierzchni płytki krzemowej. Następnie pokryli wafel warstwą grafenu wyhodowaną na miedzi. Grafen przykleja się do powierzchni wafla krzemowego jak plastikowa folia samoprzylepna. Naukowcy w końcu dodają styki elektryczne do grafenu, aby uzupełnić rezonatory. Praca jest opisana online w czasopiśmie Litery nano .
„Produkujemy dużą liczbę identycznych rezonatorów, co pokazuje przejście od eksperymentu laboratoryjnego do technologii”, mówi McEuen. Poprzednie nanorezonatory wykonane w tej skali były albo znacznie grubsze i mniej czułe, albo musiały być wykonywane pojedynczo. Mówi się, że dwie główne przeszkody we wdrażaniu nanourządzeń to zwiększanie skali i powtarzalność wydajności Alex Zettl , profesor fizyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Zettl wykonał podobne urządzenia z nanorurek węglowych, w tym radio wykonane z pojedynczej nanorurki węglowej. Korzystanie z grafenu jednowarstwowego pozwala na wykonanie wielu urządzeń w jednym ujęciu, o podobnej wydajności, mówi Zettl.
Nanorezonatory grafenowe mogą tworzyć bardzo czułe detektory chemiczne lub akcelerometry. Zawieszone filmy grafenowe reagują dramatycznie, gdy doda się dowolną wagę — nawet samą cząsteczkę lub atom. Bardzo silnie łączy się ze światem zewnętrznym, co sprawia, że jest to dobry czujnik, mówi McEuen.
Wędka Ruoff Profesor inżynierii mechanicznej na University of Texas w Austin, który był pionierem techniki wzrostu i transferu grafenu stosowanej przez grupę Cornell, twierdzi, że praca ta pokazuje, że ten rodzaj grafenu dobrze sprawdza się w układach nanomechanicznych. Ale Ruoff mówi, że widzi pole do poprawy w działaniu rezonatorów.
Naukowcy z Cornell pracują obecnie nad doprowadzeniem rezonatorów grafenowych do najwyższych granic wydajności. Krystaliczna struktura grafenu, decydująca o jego wytrzymałości i przewodności elektrycznej, w dotychczas wykonanych urządzeniach Cornella nie jest idealna.
Naukowcy mają również nadzieję na wykorzystanie efektów kwantowych występujących w nanoskali. To może poprawić ich wrażliwość, mówi McEuen.