211service.com
Grafeen nanomachines praktisch maken
Veel van de hedendaagse consumentenelektronica is afhankelijk van microscopisch kleine machines. Deze kleine apparaten zijn te vinden in bewegingssensoren van smartphones, inkjetprintkoppen en de schakelaars die sommige displaypixels activeren, om maar een paar componenten te noemen.
Machinebouw: Over het oppervlak van deze siliciumwafel is een transparant vel grafeen gespannen. Het grafeen kan oscilleren over gaten in het silicium eronder en fungeert als een nanomechanisch apparaat dat een resonator wordt genoemd.
Het verkleinen van deze elektromechanische machines tot op nanoschaal zou nieuwe apparaten mogelijk maken, zoals extreem gevoelige chemische sensoren, ongelooflijk nauwkeurige versnellingsmeters en supersnelle schakelaars voor geïntegreerde schakelingen. In een belangrijke stap in de richting van dit doel hebben onderzoekers van de Cornell University grote arrays van resonatoren op nanoschaal gemaakt met behulp van grafeen.
Een atoomdunne vorm van koolstof, grafeen genaamd, is een van de meest veelbelovende materialen voor het maken van nano-elektromechanische systemen (NEMS). Grafeen is het sterkste bekende materiaal en het meest elektrisch geleidend. Het atoomdunne formaat van grafeen betekent dat het ook ongelooflijk licht van gewicht is en erg snel kan bewegen. Cornell natuurkunde professor Paul McEuen zegt dat grafeen kan worden gebruikt om grote aantallen nanodevices te bouwen met apparatuur die is ontwikkeld voor het etsen van siliciumchips op platte wafels. Maar het bouwen van mechanische nanomachines van grafeen is een uitdaging, en de meeste apparaten die tot nu toe zijn gemaakt, waren eenmalig.
McEuen en collega Cornell-professor Harold Craighead hebben nu aangetoond dat ze grafeen-nanoapparaten, resonatoren genaamd, kunnen maken op het oppervlak van een siliciumwafel. Elke resonator is gemaakt van een film van grafeen die heen en weer oscilleert, zoals een trampoline die op en neer beweegt, als reactie op een mechanische kracht die op het oppervlak of op een elektrisch veld wordt uitgeoefend.
De Cornell-groep etste eerst sleuven in het oppervlak van een siliciumwafel. Vervolgens bedekten ze de wafel met een film van grafeen die op koper was gegroeid. Het grafeen kleeft aan het oppervlak van de siliciumwafel zoals plastic huishoudfolie dat zou doen. De onderzoekers voegen uiteindelijk elektrische contacten toe aan het grafeen om de resonatoren te voltooien. Het werk wordt online beschreven in het tijdschrift Nano-letters .
We maken grote aantallen identieke resonatoren, wat een overgang van een laboratoriumexperiment naar een technologie laat zien, zegt McEuen. Eerdere nanoresonatoren die op deze schaal werden gemaakt, waren ofwel veel dikker en minder gevoelig, of ze moesten één voor één worden gemaakt. De twee belangrijkste obstakels bij het implementeren van nanodevices zijn schaalvergroting en reproduceerbaarheid in prestaties, zegt Alex Zettl , hoogleraar natuurkunde aan de University of California, Berkeley. Zettl heeft soortgelijke apparaten gemaakt van koolstofnanobuisjes, waaronder een radio gemaakt van een enkele koolstofnanobuis. Door enkellaags grafeen te gebruiken, kunnen veel apparaten in één keer worden gemaakt, met vergelijkbare prestaties, zegt Zettl.
Grafeen-nanoresonatoren kunnen zeer gevoelige chemische detectoren of versnellingsmeters maken. De zwevende grafeenfilms reageren dramatisch wanneer er een gewicht wordt toegevoegd, zelfs alleen een molecuul of een atoom. Hij koppelt heel sterk aan de buitenwereld, wat een goede sensor oplevert, zegt McEuen.
Rod Ruoff , hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Texas in Austin, die pionierde met de groei- en overdrachtstechniek van grafeen die door de Cornell-groep wordt gebruikt, zegt dat dit werk aantoont dat dit type grafeen goed presteert in nanomechanische systemen. Maar Ruoff zegt dat hij ruimte voor verbetering ziet in de prestaties van de resonatoren.
De Cornell-onderzoekers werken er nu aan om de grafeenresonatoren naar hun ultieme prestatielimieten te duwen. De kristallijne structuur van grafeen, die de sterkte en elektrische geleidbaarheid bepaalt, is niet perfect in de Cornell-apparaten die tot nu toe zijn gemaakt.
De onderzoekers hopen ook te profiteren van kwantumeffecten die optreden op nanoschaal. Dit zou hun gevoeligheid kunnen verbeteren, zegt McEuen.