211service.com
Gør grafen nanomaskiner praktiske
Mange af nutidens forbrugerelektronik er afhængige af mikroskopiske maskiner. Disse bittesmå enheder findes i smartphone-bevægelsessensorer, inkjet-printhoveder og kontakter, der aktiverer nogle skærmpixel, for blot at nævne nogle få komponenter.
Maskinfremstilling: Et gennemsigtigt ark grafen strækkes over overfladen af denne siliciumwafer. Grafenen kan oscillere over huller i siliciumet nedenunder og fungere som en nanomekanisk enhed kaldet en resonator.
At skrumpe disse elektromekaniske maskiner ned til nanoskalaen ville muliggøre nye enheder, såsom ekstremt følsomme kemiske sensorer, utroligt præcise accelerometre og superhurtige integrerede kredsløbsafbrydere. I et vigtigt skridt mod dette mål har forskere ved Cornell University lavet store rækker af nanoskala-resonatorer ved hjælp af grafen.
En atomtynd form for kulstof kaldet grafen er blandt de mest lovende materialer til fremstilling af nanoelektromekaniske systemer (NEMS). Grafen er det stærkest kendte materiale og det mest elektrisk ledende. Grafens atomtynde størrelse betyder, at den også er utrolig let og kan bevæge sig meget hurtigt. Cornell fysik professor Paul McEuen siger, at grafen kan bruges til at bygge et stort antal nanoenheder med udstyr udviklet til at ætse siliciumchips på flade wafere. Men at bygge mekaniske nanomaskiner fra grafen er udfordrende, og de fleste af de enheder, der er skabt indtil videre, har været engangsforanstaltninger.
McEuen og kollega Cornell professor Harold Craighead har nu vist, at de kan lave grafen nanoenheder kaldet resonatorer på overfladen af en siliciumwafer. Hver resonator er lavet af en film af grafen, der svinger frem og tilbage, som en trampolin, der bevæger sig op og ned, som reaktion på en mekanisk kraft, der påføres dens overflade eller på et elektrisk felt.
Cornell-gruppen ætsede først skyttegrave ind i overfladen af en siliciumwafer. De toppede derefter waferen med en film af grafen, der var dyrket oven på kobber. Grafenen klæber til overfladen af siliciumwaferen, ligesom plastikplastfolie ville gøre det. Forskerne tilføjer endelig elektriske kontakter til grafenet for at fuldende resonatorerne. Arbejdet er beskrevet online i journalen Nano bogstaver .
Vi laver et stort antal identiske resonatorer, som demonstrerer en overgang fra et laboratorieeksperiment til en teknologi, siger McEuen. Tidligere nanoresonatorer lavet i denne skala var enten meget tykkere og mindre følsomme, eller de skulle laves en ad gangen. De to store forhindringer ved implementering af nanoenheder er opskalering og reproducerbarhed i ydeevne, siger Alex Zettl , professor i fysik ved University of California, Berkeley. Zettl har lavet lignende enheder fra kulstof nanorør, herunder en radio lavet af et enkelt kulstof nanorør. Ved at bruge enkeltlagsgrafen kan mange enheder laves i ét skud med lignende ydeevne, siger Zettl.
Grafen nanoresonatorer kunne lave meget følsomme kemiske detektorer eller accelerometre. De suspenderede grafenfilm reagerer dramatisk, når en hvilken som helst vægt tilføjes - selv bare et molekyle eller et atom. Det kobler meget stærkt til omverdenen, hvilket giver en god sensor, siger McEuen.
Rod Ruoff , professor i maskinteknik ved University of Texas i Austin, som var banebrydende for grafenvækst-og-overførselsteknikken brugt af Cornell-gruppen, siger, at dette arbejde viser, at denne type grafen fungerer godt i nanomekaniske systemer. Men Ruoff siger, at han ser plads til forbedring af resonatorernes ydeevne.
Cornell-forskerne arbejder nu på at skubbe grafenresonatorerne til deres ultimative ydeevnegrænser. Den krystallinske struktur af grafen, som bestemmer dens styrke og elektriske ledningsevne, er ikke perfekt i de Cornell-enheder, der er lavet indtil videre.
Forskerne håber også at drage fordel af kvanteeffekter, der opstår på nanoskala. Dette kunne forbedre deres følsomhed, siger McEuen.