p (PhysOrg.com) - Aproveitando as propriedades exclusivas dos nanofios de óxido de zinco, pesquisadores demonstraram um novo tipo de dispositivo de chaveamento resistivo piezoelétrico no qual o acesso de leitura e gravação de células de memória é controlado por modulação eletromecânica. Operando em substratos flexíveis, arranjos desses dispositivos poderiam fornecer uma nova maneira de fazer a interface das ações mecânicas do mundo biológico com os circuitos eletrônicos convencionais. p Os dispositivos de memória resistiva modulada piezoeletricamente (PRM) tiram vantagem do fato de que a resistência de materiais semicondutores piezoelétricos, como o óxido de zinco (ZnO), pode ser controlada através da aplicação de deformação de uma ação mecânica. A mudança na resistência pode ser detectada eletronicamente, fornecendo uma maneira simples de obter um sinal eletrônico de uma ação mecânica.

p “Podemos fornecer a interface entre a biologia e a eletrônica, ”Disse Zhong Lin Wang, Professor regente da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais do Instituto de Tecnologia da Geórgia. “Esta tecnologia, que é baseado em nanofios de óxido de zinco, permite a comunicação entre uma ação mecânica no mundo biológico e dispositivos convencionais no mundo eletrônico. ”

p A pesquisa foi publicada online em 22 de junho na revista Nano Letters. O trabalho foi patrocinado pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA), a National Science Foundation (NSF), a Força Aérea dos EUA e o Departamento de Energia dos EUA.

p Em transistores convencionais, o fluxo de corrente entre uma fonte e um dreno é controlado por uma tensão de porta aplicada ao dispositivo. Essa tensão de porta determina se o dispositivo está ligado ou desligado.

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Os dispositivos de memória piezotrônica desenvolvidos por Wang e o estudante de graduação Wenzhuo Wu se aproveitam do fato de que materiais piezoelétricos como o óxido de zinco produzem um potencial de carga quando são mecanicamente deformados ou colocados sob tensão. Esses dispositivos PRM usam a carga piezoelétrica criada pela deformação para controlar a corrente que flui através dos nanofios de óxido de zinco que estão no coração dos dispositivos - o princípio básico da piezotrônica. A carga cria polaridade nos nanofios - e aumenta a resistência elétrica de forma muito semelhante à tensão de porta em um transistor convencional.

p “Estamos substituindo a aplicação de uma tensão externa pela produção de uma tensão interna, Wang explicou. “Como o óxido de zinco é piezoelétrico e semicondutor, quando você estica o material com uma ação mecânica, você cria um piezopotencial. Este piezopotencial ajusta o transporte de carga através da interface - em vez de controlar a largura do canal como nos transistores de efeito de campo convencionais. ”

p A tensão mecânica pode vir de atividades mecânicas tão diversas quanto assinar um nome com uma caneta, o movimento de um atuador em um nanorrobô, ou atividades biológicas do corpo humano, como batimentos cardíacos.

p “Nós controlamos o fluxo de carga através da interface usando tensão, Wang explicou. “Se você não tem tensão, a carga flui normalmente. Mas se você aplicar uma tensão, a tensão resultante constrói uma barreira que controla o fluxo. ”

p A comutação piezotrônica afeta o fluxo de corrente em apenas uma direção, dependendo se a deformação é tênsil ou compressiva. Isso significa que a memória armazenada nos dispositivos piezotrônicos tem um sinal e uma magnitude. As informações nesta memória podem ser lidas, processados ​​e armazenados por meios eletrônicos convencionais.

p Aproveitando as técnicas de fabricação em grande escala para matrizes de nanofios de óxido de zinco, os pesquisadores da Georgia Tech construíram memórias de comutação resistivas não voláteis para uso como meio de armazenamento. Eles mostraram que esses dispositivos piezotrônicos podem ser escritos, essa informação pode ser lida a partir deles, e que eles podem ser apagados para reutilização. Cerca de 20 dos arrays foram construídos até agora para teste.

p Os nanofios de óxido de zinco, que têm cerca de 500 nanômetros de diâmetro e cerca de 50 mícrons de comprimento, são produzidos com um processo físico de deposição de vapor que usa um forno de alta temperatura. As estruturas resultantes são então tratadas com plasma de oxigênio para reduzir o número de defeitos cristalinos - o que ajuda a controlar sua condutividade. As matrizes são então transferidas para um substrato flexível.

p “A tensão de comutação é ajustável, dependendo do número de vagas de oxigênio na estrutura, Disse Wang. “Quanto mais defeitos você extingue com o plasma de oxigênio, quanto maior a tensão que será necessária para conduzir o fluxo de corrente. ”

p As células de memória piezotrônica operam em baixas frequências, que são apropriados para o tipo de sinais gerados biologicamente que irão registrar, Disse Wang.

p Esses elementos de memória piezotrônica fornecem outro componente necessário para a fabricação de sistemas nanoeletromecânicos autoalimentados (NEMS) completos em um único chip. A equipe de pesquisa de Wang já demonstrou outros elementos-chave, como nanogeradores, sensores e transmissores sem fio.

p “Estamos dando mais um passo em direção ao objetivo de sistemas completos com alimentação própria, Disse Wang. “Os desafios agora são torná-los pequenos o suficiente para serem integrados em um único chip. Acreditamos que esses sistemas resolverão problemas importantes na vida das pessoas. ”

p Wang acredita que essa nova memória se tornará cada vez mais importante à medida que os dispositivos se tornarem mais conectados às atividades humanas individuais. A capacidade de construir esses dispositivos em substratos flexíveis significa que eles podem ser usados ​​no corpo - e com outros dispositivos eletrônicos agora sendo construídos em materiais que não são o silício tradicional.

p “À medida que os computadores e outros dispositivos eletrônicos se tornam mais personalizados e parecidos com os humanos, precisaremos desenvolver novos tipos de sinais, fazendo interface de ações mecânicas com eletrônicos, Disse ele. “Materiais piezoelétricos fornecem a maneira mais sensível de traduzir essas ações mecânicas suaves em sinais eletrônicos que podem ser usados ​​por dispositivos eletrônicos.”