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Rendere pratiche le nanomacchine al grafene
Gran parte dell'elettronica di consumo di oggi si basa su macchine microscopiche. Questi minuscoli dispositivi si trovano nei sensori di movimento degli smartphone, nelle testine di stampa a getto d'inchiostro e negli interruttori che attivano alcuni pixel del display, per citarne solo alcuni componenti.
Fabbricazione di macchine: Un foglio trasparente di grafene è teso sulla superficie di questo wafer di silicio. Il grafene può oscillare sui fori nel silicio sottostante, agendo come un dispositivo nanomeccanico chiamato risonatore.
La riduzione di queste macchine elettromeccaniche alla nanoscala consentirebbe nuovi dispositivi, come sensori chimici estremamente sensibili, accelerometri incredibilmente precisi e interruttori di circuiti integrati super veloci. In un passo importante verso questo obiettivo, i ricercatori della Cornell University hanno realizzato grandi serie di risonatori su nanoscala utilizzando il grafene.
Una forma sottilissima di carbonio chiamata grafene è tra i materiali più promettenti per la realizzazione di sistemi nanoelettromeccanici (NEMS). Il grafene è il materiale più forte conosciuto e il più elettricamente conduttivo. Le dimensioni sottilissime del grafene significano che è anche incredibilmente leggero e può muoversi molto velocemente. Professore di fisica Cornell Paul McEuen afferma che il grafene può essere utilizzato per costruire un gran numero di nanodispositivi con apparecchiature sviluppate per incidere chip di silicio su wafer piatti. Ma costruire nanomacchine meccaniche dal grafene è impegnativo e la maggior parte dei dispositivi creati finora sono stati una tantum.
McEuen e il collega professore di Cornell Harold Craighead hanno ora dimostrato di poter realizzare nanodispositivi di grafene chiamati risonatori sulla superficie di un wafer di silicio. Ciascun risonatore è costituito da un film di grafene che oscilla avanti e indietro, come un trampolino che si muove su e giù, in risposta a una forza meccanica applicata alla sua superficie oa un campo elettrico.
Il gruppo Cornell ha inizialmente inciso trincee sulla superficie di un wafer di silicio. Hanno quindi ricoperto il wafer con un film di grafene cresciuto sopra il rame. Il grafene si attacca alla superficie del wafer di silicio come farebbe la pellicola trasparente. I ricercatori infine aggiungono contatti elettrici al grafene per completare i risonatori. Il lavoro è descritto online nella rivista Nano lettere .
Stiamo realizzando un gran numero di risonatori identici, il che dimostra una transizione da un esperimento di laboratorio a una tecnologia, afferma McEuen. I precedenti nanorisonatori realizzati su questa scala erano o molto più spessi e meno sensibili, oppure dovevano essere realizzati uno alla volta. I due principali ostacoli nell'implementazione dei nanodispositivi sono lo scale-up e la riproducibilità delle prestazioni, afferma Alex Zettl , professore di fisica all'Università della California, Berkeley. Zettl ha realizzato dispositivi simili con nanotubi di carbonio, inclusa una radio realizzata con un singolo nanotubo di carbonio. L'uso del grafene a strato singolo consente di realizzare molti dispositivi in un colpo solo, con prestazioni simili, afferma Zettl.
I nanorisonatori di grafene potrebbero produrre rivelatori chimici o accelerometri molto sensibili. I film di grafene sospesi rispondono in modo drammatico quando viene aggiunto del peso, anche solo una molecola o un atomo. Si accoppia molto fortemente con il mondo esterno, il che lo rende un buon sensore, afferma McEuen.
Rod Ruoff , professore di ingegneria meccanica presso l'Università del Texas ad Austin, che ha aperto la strada alla tecnica di crescita e trasferimento del grafene utilizzata dal gruppo Cornell, afferma che questo lavoro dimostra che questo tipo di grafene si comporta bene nei sistemi nanomeccanici. Ma Ruoff dice che vede margini di miglioramento nelle prestazioni dei risonatori.
I ricercatori della Cornell stanno ora lavorando per spingere i risonatori al grafene ai loro limiti di prestazioni finali. La struttura cristallina del grafene, che ne determina la forza e la conduttività elettrica, non è perfetta nei dispositivi Cornell realizzati finora.
I ricercatori sperano anche di sfruttare gli effetti quantistici che si verificano su scala nanometrica. Questo potrebbe migliorare la loro sensibilità, dice McEuen.