Gör grafen nanomaskiner praktiska

Många av dagens hemelektronik är beroende av mikroskopiska maskiner. Dessa små enheter finns i smarttelefonens rörelsesensorer, bläckstråleskrivhuvuden och strömbrytarna som aktiverar vissa bildpixlar, för att bara nämna några komponenter.

Maskintillverkning: Ett genomskinligt ark av grafen sträcks över ytan på denna kiselwafer. Grafenen kan svänga över hålen i kislet under, fungera som en nanomekanisk enhet som kallas en resonator.

Att krympa dessa elektromekaniska maskiner ner till nanoskalan skulle möjliggöra nya enheter, såsom extremt känsliga kemiska sensorer, otroligt exakta accelerometrar och supersnabba integrerade kretsomkopplare. I ett viktigt steg mot detta mål har forskare vid Cornell University gjort stora uppsättningar av resonatorer i nanoskala med hjälp av grafen.

En atomtunn form av kol som kallas grafen är bland de mest lovande materialen för att tillverka nanoelektromekaniska system (NEMS). Grafen är det starkaste kända materialet och det mest elektriskt ledande. Grafens atomtunna storlek betyder att den också är otroligt lätt och kan röra sig mycket snabbt. Cornell fysikprofessor Paul McEuen säger grafen kan användas för att bygga ett stort antal nanoenheter med utrustning utvecklad för etsning av kiselchips på platta wafers. Men att bygga mekaniska nanomaskiner från grafen är utmanande, och de flesta enheter som skapats hittills har varit engångsföreteelser.

McEuen och kollega Cornell professor Harold Craighead har nu visat att de kan göra grafen nanoenheter som kallas resonatorer på ytan av en kiselwafer. Varje resonator är gjord av en film av grafen som svänger fram och tillbaka, som en studsmatta som rör sig upp och ner, som svar på en mekanisk kraft som appliceras på dess yta eller på ett elektriskt fält.

Cornell-gruppen etsade först in diken i ytan av en kiselskiva. De toppade sedan rånet med en film av grafen odlad ovanpå koppar. Grafenen fastnar på ytan av kiselskivan som plastfolie skulle göra. Forskarna lägger slutligen till elektriska kontakter till grafenet för att slutföra resonatorerna. Arbetet beskrivs online i tidskriften Nanobokstäver .

Vi tillverkar ett stort antal identiska resonatorer, vilket visar en övergång från ett labbexperiment till en teknologi, säger McEuen. Tidigare nanoresonatorer tillverkade i denna skala var antingen mycket tjockare och mindre känsliga, eller så måste de göras en i taget. De två stora hindren för att implementera nanoenheter är uppskalning och reproducerbarhet i prestanda, säger Alex Zettl , professor i fysik vid University of California, Berkeley. Zettl har gjort liknande enheter av kolnanorör, inklusive en radio gjord av ett enda kolnanorör. Att använda enskiktsgrafen gör att många enheter kan göras i ett skott, med liknande prestanda, säger Zettl.

Grafen nanoresonatorer kan göra mycket känsliga kemiska detektorer eller accelerometrar. De suspenderade grafenfilmerna reagerar dramatiskt när någon vikt läggs till – till och med bara en molekyl eller en atom. Det kopplar väldigt starkt till omvärlden, vilket gör det till en bra sensor, säger McEuen.

Rod Ruoff , professor i maskinteknik vid University of Texas i Austin, som var pionjär med grafentillväxt-och-överföringstekniken som används av Cornell-gruppen, säger att detta arbete visar att denna typ av grafen fungerar bra i nanomekaniska system. Men Ruoff säger att han ser utrymme för förbättring av resonatorernas prestanda.

Cornell-forskarna arbetar nu för att pressa grafenresonatorerna till deras yttersta prestandagränser. Den kristallina strukturen av grafen, som bestämmer dess styrka och elektriska ledningsförmåga, är inte perfekt i de Cornell-enheter som gjorts hittills.

Forskarna hoppas också kunna dra nytta av kvanteffekter som uppstår på nanoskala. Detta kan förbättra deras känslighet, säger McEuen.

Dölj