211service.com
Eerste volledig nanodraadsensor
Onderzoekers van de University of California, Berkeley, hebben de eerste geïntegreerde schakeling gemaakt die nanodraden gebruikt als zowel sensoren als elektronische componenten. Met een eenvoudige printtechniek kon de groep grote arrays van uniforme circuits fabriceren, die als beeldsensoren konden dienen. Ons doel is om volledig nanodraadsensoren te ontwikkelen die in verschillende toepassingen kunnen worden gebruikt, zegt: Ali Javey , een professor elektrotechniek aan UC Berkeley, die het onderzoek leidde.
Weg gekwadrateerd: University of California, Berkeley, konden onderzoekers een geordende circuitarray maken van twee soorten kleine nanodraden, die kunnen functioneren als optische sensoren en transistors. Elk van de circuits op de 13-bij-20-array dient als een enkele pixel in een volledig nanodraad-beeldsensor.
Nanodraden zijn goede sensoren omdat hun kleine afmetingen hun gevoeligheid vergroten. Op nanodraad gebaseerde lichtsensoren kunnen bijvoorbeeld slechts een paar fotonen detecteren. Maar om bruikbaar te zijn in praktische apparaten, moeten de sensoren worden geïntegreerd met elektronica die zulke kleine signalen kan versterken en verwerken. Dit was een probleem, omdat de materialen die worden gebruikt voor detectie en elektronica niet gemakkelijk op hetzelfde oppervlak kunnen worden gemonteerd. Bovendien was het moeilijk om een betrouwbare manier te vinden om de kleine nanodraden op één lijn te brengen die op grote schaal praktisch zouden kunnen zijn.
Een door de Berkeley-groep ontwikkelde drukmethode zou beide problemen kunnen oplossen. Eerst deponeren de onderzoekers een polymeer op een siliciumsubstraat en gebruiken ze lithografie om patronen uit te etsen waar de optische sensing-nanodraden zouden moeten zijn. Vervolgens printen ze een enkele laag cadmiumselenide-nanodraden over het patroon; door het polymeer te verwijderen, blijven alleen de nanodraden op de gewenste locatie voor het circuit. Ze herhalen het proces met het tweede type nanodraden, die germaniumkernen en siliciumschillen hebben en de basis vormen van de transistors. Ten slotte deponeren ze elektroden om de circuits te voltooien.
De geprinte nanodraden worden eerst gekweekt op aparte substraten, die de onderzoekers aandrukken en over het silicium schuiven. Dit type nanodraadoverdracht is goed voor het uitlijnen van de draden, zegt Deli Wang , een professor in elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara, die niet betrokken was bij het onderzoek. Een goede uitlijning is nodig om het apparaat goed te laten werken, aangezien het optische signaal afhangt van de polarisatie van het licht, die op zijn beurt weer afhankelijk is van de oriëntatie van de nanodraden. Evenzo hebben transistoren een hoge mate van uitlijning nodig om goed in en uit te schakelen.
Een ander potentieel voordeel van de printmethode is dat de nanodraden niet alleen op silicium kunnen worden geprint, maar ook op papier of plastic, zegt Javey. Hij voorziet toepassingen zoals sensortapes - lange rollen van gedrukte sensoren die worden gebruikt om de luchtkwaliteit te testen of om minuscule concentraties chemicaliën te detecteren. Onze volgende uitdaging is om een draadloze component te ontwikkelen die de signalen van het circuit doorstuurt naar een centrale verwerkingseenheid, zegt hij.
Maar voorlopig hebben de onderzoekers de techniek gedemonstreerd als een manier om een beeldsensor te maken. Ze hebben de nanodraden op het substraat gemodelleerd om een 13-bij-20 reeks circuits te maken, waarin elk circuit als een enkele pixel fungeert. De cadmiumselenide-nanodraden zetten binnenkomende fotonen om in elektronen, en twee verschillende lagen germanium-silicium nanodraadtransistoren versterken het resulterende elektrische signaal tot vijf ordes van grootte. Dit demonstreert een uitstekende toepassing van nanodraden in geïntegreerde elektronica, zegt Zhong Lin Wang , directeur van het Center for Nanostructure Characterization bij Georgia Tech.
Na het apparaat onder een halogeenlamp te hebben geplaatst en de uitgangsstroom van elk circuit te meten, ontdekte de groep dat ongeveer 80 procent van de circuits de intensiteit van het licht dat erop scheen met succes registreerde. Javey schrijft het falen van de andere 20 procent toe aan fabricagefouten als kortgesloten elektroden en drukfouten die resulteerden in een slechte uitlijning van de nanodraad. Hij merkt op dat al deze problemen kunnen worden opgelost met verfijnde productiemethoden.
De onderzoekers zijn ook van plan te werken aan het verkleinen van het circuit om de resolutie en gevoeligheid te verbeteren. Uiteindelijk, zegt Javey, willen ze dat alles op het circuit kan worden afgedrukt, inclusief de elektroden en contacten, wat zou kunnen helpen de kosten verder te verlagen.