211service.com
Nanoschakelaars gemaakt van grafeen kunnen onze elektronica nog kleiner maken
Hal Gatewood | Unsplash
De kans is groot dat u een micro-elektromechanisch apparaat bezit - waarschijnlijk tientallen. Deze apparaten vullen de moderne wereld. Ze maken de versnellingsmeters in smartphones, de microfoons in laptops en de microspiegels in digitale projectoren mogelijk, om er maar een paar te noemen.
Ze zijn meestal een paar micrometer groot, klein volgens elke maatstaf. Maar wetenschappers en ingenieurs willen ze nog kleiner - op nanometerschaal, indien mogelijk. Met die omvang kunnen deze machines werken als eenvoudige schakelaars in logische en geheugenapparaten, waardoor het vooruitzicht op krachtigere en efficiëntere gegevensverwerkende apparaten wordt vergroot.
Deze micromachines zijn over het algemeen uitgehouwen in siliciumchips. Maar naarmate ze kleiner worden, worden siliciumschakelaars minder efficiënt omdat ze stroom lekken als ze uit staan. Een betere optie is een grafeenschakelaar, die eenvoudig op nanometerschaal te snijden is en relatief eenvoudig in conventionele siliciumchips in te bouwen. Hij lekt ook geen stroom als hij uit staat.
Maar er is een probleem. Wanneer grafeen silicium raakt, heeft het de neiging om snel te kleven. Stel je een schakelaar voor die bestaat uit een flexibele grafeenstaaf die een circuit vormt wanneer de staaf een siliciumelektrode raakt. Als de staaf aan de elektrode blijft kleven, kan deze niet meer worden uitgeschakeld.
Dit probleem staat bekend als stiction. En ondanks aanzienlijke financiële investeringen in grafeenonderzoek door overheden over de hele wereld, heeft niemand een goede manier gevonden om het op te lossen.
Voer Kulothungan Jothiramalingam in bij het Japan Advanced Institute of Science and Technology en collega's, die een oplossing hebben gevonden. Hiermee hebben ze op grafeen gebaseerde nano-elektromechanische apparaten gemaakt die kunnen fungeren als schakelaars en zelfs als logische poorten.
Hun methode is eenvoudig. Ze bedekken een siliciumchip met nanokristallijn grafeen, dat zich snel aan het oppervlak hecht. Vervolgens bedekken ze dit met een laag waterstofsilsesquioxaan, dat als een resist fungeert en in verschillende vormen kan worden gesneden. Daarop leggen ze nog een laag grafeen.
De truc is om de bovenste laag grafeen in een staafvorm te kerven die aan beide uiteinden wordt verankerd door elektroden. Vervolgens verwijderen ze de waterstofsilsesquioxaanlaag onder een deel van de grafeenstaaf om deze boven de grafeenlaag te laten zweven.
Het buigen van deze balk is eenvoudig. Een potentiaalverschil tussen de lagen creëert een kracht die de staaf naar de chip buigt. Wanneer het dit lagere oppervlak raakt, vormt het een circuit, een proces dat kan worden benut voor logica en voor gegevensopslag.
Dat is de schakelaar. En omdat de twee oppervlakken die in contact komen beide grafeen zijn, is er geen stiction. Door het potentiaalverschil uit te schakelen, komt de balk vrij, die terugveert in zijn oorspronkelijke positie.
Jothiramalingam en co gebruikten deze aanpak om een verscheidenheid aan proof-of-principle nano-switches te bouwen, waaronder enkele switches en een array. Ze zeggen dat de apparaten goed werken met lage spanningen van slechts 1,5 volt en dat er in de uit-stand zeer weinig stroomlekkage is omdat de grafeenstaven goed geïsoleerd zijn van andere geleidende lagen.
Er zijn wel wat uitdagingen. De vorm en grootte van de grafeenbundel en de afstand tot de onderste laag moeten bijvoorbeeld worden geoptimaliseerd om betrouwbaar schakelen te bereiken. Maar dit zou een eenvoudig technisch probleem moeten zijn.
Als dat eenmaal is opgelost, worden complexere apparaten mogelijk. Het team heeft een reeks complexere schakelaars ontworpen, waaronder een EN-logische poort en een schakelaar met drie aansluitingen waarin ze drie lagen grafeen op elkaar plaatsen, gescheiden door een isolerende laag waterstofsilsesquioxaan.
Dat is interessant werk met het potentieel om nano-elektromechanische apparaten nog kleiner te maken, gebaseerd op de belofte van het wondermateriaal dat grafeen is.
Referentie: arxiv.org/abs/1901.07754 : Stapelen van nanokristallijn grafeen voor nano-elektromechanische (NEM) actuatortoepassingen