«Нано-пьезотронные» компоненты - новый класс электронных компонентов.

К настоящему моменту исследователи уже продемонстрировали полевые транзисторы, диоды, датчики и вырабатывающие ток наногенераторы, действующие за счет искривления нанопроволок и наноколец из оксида цинка. Новые компоненты используют сочетание механического и электронного поведения пьезоэлектрических наноматериалов, механизма, названного учеными «нано-пьезотронным^TM».

«В нано-пьезотронных элементах используется сочетание пьезоэлектрических и полупроводниковых свойств вещества, - говорит Джон Линь Ван (Zhong Lin Wang), профессор Школы материаловедения и инженерии Технологического института штата Джорджия (School of Materials Science and Engineering at the Georgia Institute of Technology). - Эти элементы способны предоставить основные блоки, позволяющие нам создать новую область электроники».

Так, например, нано-пьезотронный транзистор, искривляющий одномерную наноструктуру из оксида цинка, изменяет распределение электрических зарядов, обеспечивая контроль над протекающим через нее током. Путем измерения изменений тока в проводниках пьезотронные датчики могут обнаружить силы в нано- или даже пиконьютонной области. Другие пьезотронные датчики могут определить кровяное давление внутри тела, измеряя ток в наноструктурах. А электрическое соединение искривленных в одну сторону наноструктур из оксида цинка создает пьезотронный диод, который ограничивает протекание тока в одном направлении.

Нано-пьезотронный механизм использует основное свойство нанопроволок или наноколец из пьезоэлектрических материалов: искривление структур вызывает разделение зарядов – положительных в одну сторону и отрицательных в другую. Связь между искривлением и созданием зарядов была также использована при конструировании наногенераторов, которые вырабатывают заметный электрический ток, когда множество нанопроволок из оксида цинка попеременно изгибается и распрямляется.

«Будущее исследований в области нанотехнологий состоит в построении интегрированных наносистем из отдельных компонентов, - говорит Ван, - Пьезотронные компоненты, основанные на нанопроводниках и нанокольцах из оксида цинка, имеют ряд важных преимуществ, которые помогут сделать возможным создание таких интегрированных наносистем».

Среди таких преимуществ:

Наноструктуры из оксида цинка могут выдержать значительную деформацию без ущерба, что позволяет использовать их в гибкой электронике.
Значительная деформация позволяет получить большую объёмную плотность выходной мощности.
Материалы из оксида цинка являются биосовместимыми, что делает их использование нетоксичным.
Гибкие полимерные основы, используемые в наногенераторах, позволят имплантированным устройствам соответствовать форме внутренних структур тела.
Наногенераторы на такой основе могут непосредственно вырабатывать энергию для использования в имплантируемых системах.

В отличие от обычных электронных компонентов, нано-пьезотронные устройства функционируют иным способом и проявляют уникальные свойства.

Так, в обычных полевых транзисторах, электрический потенциал (называемый напряжением затвора) применяется для создания электрического поля, которое управляет током от истока к стоку. В то же время, в пьезотронных транзисторах, разработанных группой Вана, ток между стоком и истоком управляется изменением проводимости наноструктуры путем ее искривления. Искривление создает потенциал затвора, так что результирующая проводимость оказывается непосредственно связанной со степенью искривления.

«Эффект заключается в сокращении ширины канала для тока. Таким образом, вы можете иметь 10-кратную разницу в проводимости до и после искривления», - объясняет Ван.

Диоды, которые пропускают ток только в одном направлении, также были созданы с помощью нано-пьезотронного механизма. При этом использовался потенциальный барьер, который возникает на стыке электрода и эластичной (натянутой) поверхности нанопроволоки. Создаваемый потенциальный барьер ограничивает протекание тока одним направлением.

(На фото: последовательность снимков сканирующего электронного микроскопа, показывающая пьезотронный диод (a, с и e). При его работе происходит искривление одинарной нанопроволоки из оксида цинка, закрепленной между двумя зондами. Графики (b, d и e) показывают соответствующий электрический ток)

Наногенераторы, о которых было сообщено 14 апреля 2006 г. в журнале Science, получают энергию из окружающей среды, преобразуя механическую энергию движения тела, мышечного растяжения, потока жидкости или других источников в электрическую. Генерируя ток путем искривления и распрямления нанопроволок из оксида цинка, данные устройства могут устранить необходимость в аккумуляторах или других громоздких источниках питания систем нанометрового масштаба.

Наконец, пьезотронные наносенсоры способны измерить силы до наноньютона (10^-9 Н) на основе контроля формы структуры под давлением. Имплантируемые датчики, в основе которых лежит этот принцип, могут непрерывно измерять кровяное давление внутри тела и передавать информацию по беспроводному каналу к внешнему устройству, подобному часам. «Устройство может питаться энергией наногенератора, вырабатывающего энергию из тока крови», - добавляет Ван.