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Primo sensore interamente nanowire
I ricercatori dell'Università della California, Berkeley, hanno creato il primo circuito integrato che utilizza i nanofili sia come sensori che come componenti elettronici. Con una semplice tecnica di stampa, il gruppo è stato in grado di fabbricare grandi serie di circuiti uniformi, che potrebbero fungere da sensori di immagine. Il nostro obiettivo è sviluppare sensori interamente nanowire che potrebbero essere utilizzati in una varietà di applicazioni, afferma Ali Javey , un professore di ingegneria elettrica alla UC Berkeley, che ha guidato la ricerca.
Al quadrato: I ricercatori dell'Università della California, Berkeley, sono stati in grado di creare una serie ordinata di circuiti da due tipi di minuscoli nanofili, che possono funzionare come sensori ottici e transistor. Ciascuno dei circuiti dell'array 13x20 funge da singolo pixel in un sensore di immagine interamente nanowire.
I nanofili sono buoni sensori perché le loro piccole dimensioni ne migliorano la sensibilità. I sensori di luce basati su nanofili, ad esempio, possono rilevare solo pochi fotoni. Ma per essere utili in dispositivi pratici, i sensori devono essere integrati con un'elettronica in grado di amplificare ed elaborare segnali così piccoli. Questo è stato un problema, perché i materiali utilizzati per il rilevamento e l'elettronica non possono essere facilmente assemblati sulla stessa superficie. Inoltre, è stato difficile trovare un modo affidabile per allineare i minuscoli nanofili che potrebbe essere pratico su larga scala.
Un metodo di stampa sviluppato dal gruppo Berkeley potrebbe risolvere entrambi i problemi. In primo luogo, i ricercatori depositano un polimero su un substrato di silicio e usano la litografia per incidere i modelli dove dovrebbero essere i nanofili di rilevamento ottico. Quindi stampano un singolo strato di nanofili di seleniuro di cadmio sul modello; la rimozione del polimero lascia solo i nanofili nella posizione desiderata per il circuito. Ripetono il processo con il secondo tipo di nanofili, che hanno nuclei di germanio e gusci di silicio e costituiscono la base dei transistor. Infine depositano gli elettrodi per completare i circuiti.
I nanofili stampati vengono prima cresciuti su substrati separati, sui quali i ricercatori premono e fanno scorrere sul silicio. Questo tipo di trasferimento di nanofili è utile per allineare i fili, afferma Deli Wang , un professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università della California, Santa Barbara, che non è stato coinvolto nella ricerca. Un buon allineamento è necessario affinché il dispositivo funzioni correttamente, poiché il segnale ottico dipende dalla polarizzazione della luce, che a sua volta dipende dall'orientamento dei nanofili. Allo stesso modo, i transistor richiedono un alto grado di allineamento per accendersi e spegnersi correttamente.
Un altro potenziale vantaggio del metodo di stampa è che i nanofili potrebbero essere stampati non solo su silicio, ma anche su carta o plastica, afferma Javey. Prevede applicazioni come i nastri dei sensori: lunghi ruoli di sensori stampati utilizzati per testare la qualità dell'aria o rilevare piccole concentrazioni di sostanze chimiche. La nostra prossima sfida è sviluppare un componente wireless che trasmetta i segnali dal circuito a un'unità di elaborazione centrale, dice.
Ma per ora, i ricercatori hanno dimostrato che la tecnica è un modo per creare un sensore di immagine. Hanno modellato i nanofili sul substrato per creare una serie di circuiti 13x20, in cui ogni circuito agisce come un singolo pixel. I nanofili di seleniuro di cadmio convertono i fotoni in ingresso in elettroni e due diversi strati di transistor a nanofili di germanio-silicio amplificano il segnale elettrico risultante fino a cinque ordini di grandezza. Ciò dimostra un'eccezionale applicazione dei nanofili nell'elettronica integrata, afferma Zhong Lin Wang , direttore del Centro per la caratterizzazione delle nanostrutture presso la Georgia Tech.
Dopo aver messo il dispositivo sotto una luce alogena e misurato la corrente in uscita da ciascun circuito, il gruppo ha scoperto che circa l'80% dei circuiti ha registrato con successo l'intensità della luce che li colpisce. Javey attribuisce il fallimento dell'altro 20 percento a difetti di fabbricazione come elettrodi in cortocircuito e errori di stampa che hanno portato a uno scarso allineamento dei nanocavi. Nota che tutti questi problemi possono essere risolti con metodi di produzione raffinati.
I ricercatori hanno anche in programma di lavorare per ridurre il circuito per migliorare la risoluzione e la sensibilità. Alla fine, dice Javey, vogliono che tutto sul circuito sia stampabile, inclusi elettrodi e contatti, il che potrebbe aiutare a ridurre ulteriormente i costi.