Наноструктуры из оксида цинка послужат основой для нанопьезотроники

 


Ученые воспользовались уникальным сочетанием полупроводниковых и пьезоэлектрических свойств нанонитей из оксида цинка, которые могут стать основой для создания нового класса электронных компонентов и устройств для широкого спектра новых приложений.

До сих пор транзисторы, диоды, датчики основывалась на эффекте поля. В настоящее время разрабатываются приборы, работа которых использует деформацию нанонитей из оксида цинка. Новые разрабатываемые компоненты сочетают механические и электронные свойства пьезоэлектрических наноматериалов. Данное направление исследователи окрестили «нанопьезотроника» (nano – piezotronics™).

«Нанопьезотроника объединяет в себе пьезоэлектрические и полупроводниковые свойства материалов для создания новых электронных компонентов, - сообщил Чжун Линь Ван (Zhong Lin Wang), профессор факультета материаловедения и технологии материалов Технологического института штата Джорджия (the Georgia Institute of Technology). - Эти устройства можно использовать в качестве основных строительных блоков, которые позволят открыть новые области применения электроники».

К примеру, в пьезотранзисторе из одномерной оксид-цинковой наноструктуры, путем ее некоторой деформации, можно изменить распределение электрического заряда, с тем чтобы контролировать проходящий через транзистор ток. Измеряя проходящий ток, нанопьезодатчики могут обнаружить силы величиной в несколько нано- или пиконьютонов. Другие нанопьезосенсоры определяют давление крови внутри тела, которая течет через наноструктуры, создавая в них давление. Также электрический контакт, подсоединенный к нанонити из оксида цинка, представляет собой пьезодиод, ограничивающий движение тока в одном направлении.

Механизмы нанопьезотроники используют фундаментальные свойства нанонитей из пьезоэлектрических материалов: деформация наноструктуры создает пространственное перераспределение заряда – положительный заряд локализуется с одной стороны, а отрицательный - с другой. Связь между деформацией структуры и пространственным перераспределением заряда используется также для создания наногенераторов, производящих точно заданные электрические токи.

"Будущее исследований в области нанотехнологий - в построении интегральных наносистем, состоящих из отдельных компонентов, - сообщил Ван. – Компоненты пьезотроники на основе нанонитей из оксида цинка обладают неоспоримыми преимуществами, которые обеспечат создание подобных интегральных наносистем ".

Данные преимущества заключаются в следующем:

- наноструктуры из оксида цинка могут выдержать значительное число деформации без ущерба для функциональности, что позволяет их использовать в электронных приборах и источниках энергии, которые подвержены деформации;
- устойчивость к разного рода деформациям позволит обеспечить высокую выходную мощность;
материалы из оксида цинка являются нетоксичными, что позволит использовать их в биомедицинских исследованиях;
- гибкие полимерные подложки, которые будут использоваться для наногенераторов, позволят для проведения исследований имплантировать ряд устройств в органы человеческого тела;
- наногенераторы на основе данных структур могут непосредственно производить энергию для питания внедряемых наноприборов.

В отличие от обыкновенных электронных компонентов устройства нанопьезотроники для работы используют иной механизм и обладают уникальными характеристиками.

В обыкновенных полевых транзисторах затвор создает электрическое поле, которое управляет током, идущим от истока к стоку. В пьезотранзисторах, разработанных Ваном и его группой, ток регулируется путем изменения проводимости нанонити за счет ее деформации между истоком и стоком. Таким образом, проводимость нанонити непосредственно связана со степенью ее деформации.

"Эффект заключается в уменьшении ширины канала для движения тока, так что вы можете получить десятикратную разницу в проводимости до и после деформации нанонитей", - пояснил Ван.

Также были созданы нанодиоды, использующие пьезомеханические свойства. Потенциальный барьер, созданный пьезоэлектрическим эффектом, ограничивает движение тока в одном направлении.

Наногенераторы, о которых было заявлено 14 апреля 2006 в номере журнала Science, получают энергию из окружающей их среды, преобразуют механическую энергию движения тела, мышечного напряжения, движения жидкостей или иных источников в электричество. Получая электричество за счет энергии, освобождающейся при деформации оксид-цинковых нанонитей, наногенераторы устраняют необходимость в использовании аккумуляторных батарей или других громоздких источниках питания на наноуровне.

С помощью пьезонаносенсоров можно измерять силы величиной в несколько наноньютонов, послеживая изменение формы нанонитей, находящихся под давлением. Имплантируемые сенсоры на основе данного принципа могут измерять давление крови внутри тела и транслировать информацию по беспроводному каналу на внешний приемник, - рассказал Ван. – Данные устройства будут работать за счет наногенераторов, преобразующих механическую энергию кровотока.

Другие наносенсоры позволяют обнаружить наличие конкретного соединения, концентрация которого очень незначительна. За счет изменения тока в приповерхностной области сенсора можно установить содержание соединения, молекулы которого адсорбируются на наноструктуре. "Используя такого рода устройства, Вы потенциально могли бы почувствовать присутствие даже одной молекулы, так как отношение площади поверхности к объему очень велико", - сообщает Ван.

Помимо Вана в группу исследователей вошли J.H. Song, X.D. Wang, P.X. Gao, J.H. He, J. Zhou, N.S. Xu, L.J. Chen и J. Liu из the Georgia Institute of Technology, the National Tsing Hua University of Taiwan, Sun Yat-Sen University of China.


Нанотехнологическое сообщество