ההתקנים, הכוללים טרנזיסטורים ודיודות, יוכלו לשמש ברכיבי רובוטיקה בקנה-מידה ננומטרי, במערכות ננו/מיקרו-אלקטרו-מכאניות ובהתקני מיקרו-זרימה
.

חוקרים מהמכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה פיתחו משפחה חדשה של התקנים אלקטרוניים של שערים לוגיים שבהם הזרם ממותג באמצעות שדה חשמלי שנוצר בעקבות לחץ מכאני על ננו-תילים של תחמוצת אבץ.
ההתקנים, הכוללים טרנזיסטורים ודיודות, יוכלו לשמש ברכיבי רובוטיקה בקנה-מידה ננומטרי, במערכות ננו/מיקרו-אלקטרו-מכאניות ובהתקני מיקרו-זרימה. הפעולה המכאנית המשמשת לייזום הלחץ יכולה להיות פשוטה כמו לחיצה על כפתור, או הזרם של נוזל, מתיחת שרירים או ההנעה של רכיבים רובוטיים.
בטרנזיסטורים תוצא שדה (FET – field-effect transistors) רגילים, מתגי שדה חשמלי – או "שערים" – אחראים למעבר של זרם חשמלי דרך מוליך-למחצה. במקום להשתמש בשדה חשמלי, ההתקנים הלוגיים החדשניים יוצרים את השדה הממתג באמצעות עיוות מכאני של תילי תחמוצת אבץ. העיוות יוצר ללחץ מכאני בננו-התילים, תוך קבלה של שדה חשמלי בשל תוצא פיאזואלקטרי – הקבלה של מטענים חשמליים בחומרים גבישיים מסוימים בעקבות לחץ מכאני.
"כאשר אנו מפעילים לחץ על ננו-התיל הממוקם בין שתי אלקטרודות מתכת, אנו יוצרים שדה, שהינו מספיק חזק בכדי לשמש כזרם הממתג," אמר Zhong Lin Wang, פרופסור בביה"ס למדע החומרים והנדסה במכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה. "סוג זה של התקן יוכל לאפשר שילובה של פעולה מכאנית עם רכיבי אלקטרוניקה, ויוכל להוות את הבסיס להתקנים חדשים של שערים לוגיים המשתמשים ביכולת הפיזואלקטרית במקום בזרם שמקורו בשער."
החוקר Wang, אשר פרסם סידרה של מאמרים בנוגע להתקנים אלו בכתבי-עת מדעיים כדוגמת Nano Letters, Advanced Materials ו- Applied Physics Letters, מכנה את המשפחה החדשה הזו של התקנים ננומטריים בשם "רכיבי פיאזואלקטרוניקה" ("piezotronics") מאחר והם משתמשים ביכולת פיאזואלקטרית בכדי לווסת ולמתג את תהליך העברת המטען החשמלי במוליכים למחצה. ההתקנים מתבססים על התכונות הייחודיות של ננו-מבני תחמוצת אבץ, שהינם גם מוליכים למחצה וגם פיאזואלקטריים.
הטרנזיסטורים והדיודות החדשים מצטרפים למשפחת ננו-התקנים שפותחו ע"י החוקר וקבוצת המחקר שלו, והם ניתנים לשילוב במערכות שכל רכיביהן מבוססים על אותו החומר – תחמוצת אבץ. חוקרים אלו דיווחו כבר בעבר על הפיתוח של מחוללים (גנראטורים) ננומטריים היוצרים חשמל באמצעות המרה של תנועה מכאנית מהסביבה, וחיישני ננו-תילים למדידת ערך ההגבה (pH) והגילוי של קרינה על-סגולה.
"משפחת ההתקנים שפיתחנו יכולה להשתלב יחדיו ליצירת מערכות ננומטריות עצמאיות, המונעות בעצמן," מסביר החוקר. "ניתן להכין מערכות מורכבות המבוססות במלואן על ננו-תילי תחמוצת אבץ שהינן בעלי יכולת זיכרון, עיבוד וחישה, המונעות כולן באמצעות אנרגיה חשמלית הנלכדת מהסביבה."
ע"י השימוש בטרנזיסטורים המבוססים על מתגי-לחץ המחוברים למצע פולימרי גמיש, החוקרים הצליחו להדגים פעולות לוגיות בסיסיות – בכללן שערי NOR, XOR ו- NAND ותפקודי מולטיפלקסר (התקן ריבוב – מאחד קלט נתונים ממספר ערוצים ומעבירם בו זמנית כפלט אחד בפס תקשורת רחב)/דה-מולטיפלקסר (נוֹטֵל רִבּוּב) – פשוט באמצעות הפעלת סוגים שונים של לחץ על ננו-תילי תחמוצת האבץ. הם גם הצליחו ליצור מְהַפֵּךְ (inverter) באמצעות מיקום טרנזיסטור ממותג-לחץ ע"ג שני צידיו של מצע גמיש. "באמצעות השימוש בטרנזיסטור החדש שלנו כאבן בניין, אנו מסוגלים להכין שערים מורכבים," הוסיף החוקר. "זוהי הפעם הראשונה שפעולה מכאנית משמשת ליצירת פעולה לוגית."
טרנזיסטור ממותג-לחץ מורכב מננו-תיל תחמוצת אבץ יחיד ששני קצותיו – אלקטרודות המקור והניקוז – מעוגנים למצע פולימרי באמצעות חיבור מתכתי. כיפוף ההתקנים הופך את הקוטביות מאחר והמקור משתנה ממצב דחוס למצב מתיח בשני הצדדים.
ההתקנים פועלים בתדירויות נמוכות – הדומות לאלו הנוצרות מיחסי-הגומלין שבין האדם לסביבתו – והם לא יתחרו בטרנזיסטורים רגילים המבוססים על CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) בנוגע למהירות המשמשים ביישומים נפוצים. ההתקנים מגיבים לכוחות מכאניים חלשים ביותר, מוסיף החוקר.
קבוצת המחקר הצליחה גם לשלוט במוליכות של ננו-התקני תחמוצת האבץ באמצעות השימוש באלומת לייזר המנצלת את התכונות הפוטוניות הייחודיות של החומר. "הלייזר משפר את המוליכות של המבנה," מציין החוקר. "ההשפעה של הלייזר היא הופכית להשפעה של התכונה הפיאזואלקטרית."
החוקר מכנה את ההתקנים החדשים שלו המורכבים משילוב של תכונות פיאזואלקטריות, פוטוניות ומוליכות-למחצה התקני "פיאזו-פוטוטרוניקה" ("piezo-phototronic").
קבוצת המחקר הכינה גם התקני שערים לוגיים מוכלאים המשתמשים בננו-תילי תחמוצת אבץ בכדי לשלוט בזרם המועבר דרך ננו-שפופרות פחמן חד-דופנות.

שערים לוגיים המבוססים על ננו-תילים

דר. משה נחמני,‏ יום שבת, 11 בספטמבר 2010

ההתקנים, הכוללים טרנזיסטורים ודיודות, יוכלו לשמש ברכיבי רובוטיקה בקנה-מידה ננומטרי, במערכות ננו/מיקרו-אלקטרו-מכאניות ובהתקני מיקרו-זרימה

שערים לוגיים המבוססים על ננו-תילים. צילום: המכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה

חוקרים מהמכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה פיתחו משפחה חדשה של התקנים אלקטרוניים של שערים לוגיים שבהם הזרם ממותג באמצעות שדה חשמלי שנוצר בעקבות לחץ מכאני על ננו-תילים של תחמוצת אבץ.

ההתקנים, הכוללים טרנזיסטורים ודיודות, יוכלו לשמש ברכיבי רובוטיקה בקנה-מידה ננומטרי, במערכות ננו/מיקרו-אלקטרו-מכאניות ובהתקני מיקרו-זרימה. הפעולה המכאנית המשמשת לייזום הלחץ יכולה להיות פשוטה כמו לחיצה על כפתור, או הזרם של נוזל, מתיחת שרירים או ההנעה של רכיבים רובוטיים.

בטרנזיסטורים תוצא שדה (FET – field-effect transistors) רגילים, מתגי שדה חשמלי – או "שערים" – אחראים למעבר של זרם חשמלי דרך מוליך-למחצה. במקום להשתמש בשדה חשמלי, ההתקנים הלוגיים החדשניים יוצרים את השדה הממתג באמצעות עיוות מכאני של תילי תחמוצת אבץ. העיוות יוצר ללחץ מכאני בננו-התילים, תוך קבלה של שדה חשמלי בשל תוצא פיאזואלקטרי – הקבלה של מטענים חשמליים בחומרים גבישיים מסוימים בעקבות לחץ מכאני.

"כאשר אנו מפעילים לחץ על ננו-התיל הממוקם בין שתי אלקטרודות מתכת, אנו יוצרים שדה, שהינו מספיק חזק בכדי לשמש כזרם הממתג," אמר Zhong Lin Wang, פרופסור בביה"ס למדע החומרים והנדסה במכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה. "סוג זה של התקן יוכל לאפשר שילובה של פעולה מכאנית עם רכיבי אלקטרוניקה, ויוכל להוות את הבסיס להתקנים חדשים של שערים לוגיים המשתמשים ביכולת הפיזואלקטרית במקום בזרם שמקורו בשער."

החוקר Wang, אשר פרסם סידרה של מאמרים בנוגע להתקנים אלו בכתבי-עת מדעיים כדוגמת Nano Letters, Advanced Materials ו- Applied Physics Letters, מכנה את המשפחה החדשה הזו של התקנים ננומטריים בשם "רכיבי פיאזואלקטרוניקה" ("piezotronics") מאחר והם משתמשים ביכולת פיאזואלקטרית בכדי לווסת ולמתג את תהליך העברת המטען החשמלי במוליכים למחצה. ההתקנים מתבססים על התכונות הייחודיות של ננו-מבני תחמוצת אבץ, שהינם גם מוליכים למחצה וגם פיאזואלקטריים.

הטרנזיסטורים והדיודות החדשים מצטרפים למשפחת ננו-התקנים שפותחו ע"י החוקר וקבוצת המחקר שלו, והם ניתנים לשילוב במערכות שכל רכיביהן מבוססים על אותו החומר – תחמוצת אבץ. חוקרים אלו דיווחו כבר בעבר על הפיתוח של מחוללים (גנראטורים) ננומטריים היוצרים חשמל באמצעות המרה של תנועה מכאנית מהסביבה, וחיישני ננו-תילים למדידת ערך ההגבה (pH) והגילוי של קרינה על-סגולה.

"משפחת ההתקנים שפיתחנו יכולה להשתלב יחדיו ליצירת מערכות ננומטריות עצמאיות, המונעות בעצמן," מסביר החוקר. "ניתן להכין מערכות מורכבות המבוססות במלואן על ננו-תילי תחמוצת אבץ שהינן בעלי יכולת זיכרון, עיבוד וחישה, המונעות כולן באמצעות אנרגיה חשמלית הנלכדת מהסביבה."

ע"י השימוש בטרנזיסטורים המבוססים על מתגי-לחץ המחוברים למצע פולימרי גמיש, החוקרים הצליחו להדגים פעולות לוגיות בסיסיות – בכללן שערי NOR, XOR ו- NAND ותפקודי מולטיפלקסר (התקן ריבוב – מאחד קלט נתונים ממספר ערוצים ומעבירם בו זמנית כפלט אחד בפס תקשורת רחב)/דה-מולטיפלקסר (נוֹטֵל רִבּוּב) – פשוט באמצעות הפעלת סוגים שונים של לחץ על ננו-תילי תחמוצת האבץ. הם גם הצליחו ליצור מְהַפֵּךְ (inverter) באמצעות מיקום טרנזיסטור ממותג-לחץ ע"ג שני צידיו של מצע גמיש. "באמצעות השימוש בטרנזיסטור החדש שלנו כאבן בניין, אנו מסוגלים להכין שערים מורכבים," הוסיף החוקר. "זוהי הפעם הראשונה שפעולה מכאנית משמשת ליצירת פעולה לוגית."

טרנזיסטור ממותג-לחץ מורכב מננו-תיל תחמוצת אבץ יחיד ששני קצותיו – אלקטרודות המקור והניקוז – מעוגנים למצע פולימרי באמצעות חיבור מתכתי. כיפוף ההתקנים הופך את הקוטביות מאחר והמקור משתנה ממצב דחוס למצב מתיח בשני הצדדים.

ההתקנים פועלים בתדירויות נמוכות – הדומות לאלו הנוצרות מיחסי-הגומלין שבין האדם לסביבתו – והם לא יתחרו בטרנזיסטורים רגילים המבוססים על CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) בנוגע למהירות המשמשים ביישומים נפוצים. ההתקנים מגיבים לכוחות מכאניים חלשים ביותר, מוסיף החוקר.

קבוצת המחקר הצליחה גם לשלוט במוליכות של ננו-התקני תחמוצת האבץ באמצעות השימוש באלומת לייזר המנצלת את התכונות הפוטוניות הייחודיות של החומר. "הלייזר משפר את המוליכות של המבנה," מציין החוקר. "ההשפעה של הלייזר היא הופכית להשפעה של התכונה הפיאזואלקטרית."

החוקר מכנה את ההתקנים החדשים שלו המורכבים משילוב של תכונות פיאזואלקטריות, פוטוניות ומוליכות-למחצה התקני "פיאזו-פוטוטרוניקה" ("piezo-phototronic").

קבוצת המחקר הכינה גם התקני שערים לוגיים מוכלאים המשתמשים בננו-תילי תחמוצת אבץ בכדי לשלוט בזרם המועבר דרך ננו-שפופרות פחמן חד-דופנות.