211service.com
Nano-switchar gjorda av grafen kan göra vår elektronik ännu mindre
Hal Gatewood | Unsplash
Chansen är stor att du äger en mikroelektromekanisk enhet - förmodligen dussintals av dem. Dessa enheter fyller den moderna världen. De möjliggör accelerometrarna i smartphones, mikrofonerna i bärbara datorer och mikrospeglarna i digitala projektorer, för att bara nämna några.
De är vanligtvis några mikrometer stora, små med alla standarder. Men forskare och ingenjörer vill ha dem ännu mindre - på nanometerskalan, om möjligt. I den storleken kan dessa maskiner fungera som enkla omkopplare i logik- och minnesenheter, vilket ökar möjligheten till kraftfullare och mer effektiva databehandlingsenheter.
Dessa mikromaskiner skärs vanligtvis i kiselchips. Men när de blir mindre blir kiselomkopplare mindre effektiva eftersom de läcker ström när de är avstängda. Ett bättre alternativ är en grafenomkopplare, som är lätt att skära i nanometerskala och relativt enkel att bygga in i konventionella kiselchips. Den läcker inte heller när den är avstängd.
Men det är ett problem. När grafen kommer i kontakt med kisel, tenderar det att fastna snabbt. Föreställ dig en strömbrytare som består av en flexibel grafenstav som bildar en krets när stången vidrör en kiselelektrod. Om stången fastnar på elektroden kan den inte stängas av igen.
Detta problem är känt som stiction. Och trots betydande ekonomiska investeringar i grafenforskning av regeringar över hela världen, har ingen hittat ett bra sätt att lösa det.
Gå in i Kulothungan Jothiramalingam vid Japan Advanced Institute of Science and Technology och kollegor som har hittat en lösning. Med hjälp av det har de skapat grafenbaserade nanoelektromekaniska enheter som kan fungera som switchar och till och med som logiska grindar.
Deras metod är okomplicerad. De belägger ett kiselchip med nanokristallint grafen, som fastnar snabbt på ytan. Sedan täcker de detta med ett lager av väte silsesquioxan, som fungerar som resist och kan skäras i olika former. Ovanpå detta lägger de ytterligare ett lager grafen.
Tricket är att skära det översta lagret av grafen till en stångform som är förankrad i båda ändar av elektroder. Sedan tar de bort vätesilsesquioxanlagret under en del av grafenstången för att lämna det suspenderat ovanför grafenlagret.
Att böja denna stång är enkelt. En potentialskillnad mellan lagren skapar en kraft som böjer stången mot chipet. När den vidrör denna nedre yta bildar den en krets, en process som kan utnyttjas för logik och för datalagring.
Det är växeln. Och eftersom de två ytorna som kommer i kontakt är båda grafen, finns det ingen stickion. Genom att stänga av potentialskillnaden frigörs stången som fjädrar tillbaka till sitt ursprungliga läge.
Jothiramalingam och co använde detta tillvägagångssätt för att bygga en mängd proof-of-principe nano-switchar, inklusive enstaka switchar och en array. De säger att enheterna fungerar bra med låga spänningar på bara 1,5 volt och att i avstängt tillstånd finns det väldigt lite strömläckage eftersom grafenstängerna är välisolerade från andra ledande lager.
Det finns dock vissa utmaningar. Till exempel måste formen och storleken på grafenstrålen och dess avstånd från det nedre lagret optimeras för att uppnå tillförlitlig omkoppling. Men detta borde vara ett enkelt tekniskt problem.
När det är löst blir mer komplexa enheter möjliga. Teamet har designat en rad mer komplexa omkopplare inklusive en OCH-logisk grind och en tre-terminal switch där de placerar tre lager grafen ovanpå varandra, åtskilda av ett isolerande lager av väte silsesquioxan.
Det är ett intressant arbete med potential att göra nanoelektromekaniska enheter ännu mindre, baserat på löftet om undermaterialet som är grafen.
Ref: arxiv.org/abs/1901.07754 : Stapling av nanokristallint grafen för nanoelektromekaniska (NEM) ställdonstillämpningar