Dexter Johnson
IEEE Spectrum
Микросхемы на основе кремния, предназначенные для датчиков в искусственной коже, которым требуется гибкость, или для носимой электроники, где схемы должны выдерживать воздействие нашего пота, не всегда справляются со своей задачей.
Недавно международная группа исследователей разработала способ изготовления гибких, не боящихся воды логических схем и датчиков, в которых не используются полупроводники. То, что сделали ученые, представляет собой золотые наночастицы, покрытые заряженными органическими молекулами. Созданную систему они назвали «химоэлектронная схема».
Команда, в которую вошли ученые из Национального центра нанонауки и технологий в Пекине, Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл, американской компании NuMat Technologies и Ульсанского Национального Университета Науки и Технологий (UNIST) в Южной Корее, описала химоэлектронные компоненты в журнале Nature Nanotechnology.
Они создали химоэлектронные устройства, покрывая наночастицы золота каким-либо из четырех типов органических молекул, называемых лигандами. Каждый лиганд дает свой, зависящий от заряда эффект, когда помещается в воду или влажную среду. Один растворяется, высвобождая положительный ион и оставив наночастицу, окруженную отрицательным зарядом. Другой дет противоположный эффект, делая наночастицу положительной и высвобождая отрицательный ион.
 |
|
| Движение ионов между «упакованными» наночастицами золота создает электрическое поле так же, как в диоде. |
Объединение двух последних типов металлических наночастиц и противоположно заряженных лигандов создает химический состав, имитирующий полупроводниковый p-n переход. Они «упаковывают» группы положительно заряженных наночастиц с одной стороны и отрицательно заряженные частицы с другой. Ионы могут свободно перемещаться между ними, при этом положительные ионы притягиваются к отрицательным наночастицам, и наоборот. В результате получается устройство с встроенным дисбалансом заряда, что приводит к такому явлению, как межфазное напряжение. Межфазное напряжение создает внутри устройства предпосылки для однонаправленной транспортировки электронов, точно так же, как в обычном диоде.
«Вокруг лигандов имеются свободные противоионы, – объяснил руководивший исследованиями Бартош Гжибовский (Bartosz Grzybowski) из UNIST. – Ключевым моментом является то, что эти мобильные противоионы могут двигаться, когда приложено [электрическое] поле. Это, в свою очередь, устанавливает ионные градиенты, которые, в конечном счете, управляют потоком электронов через наночастицы».
 |
|
| Профессор Бартош Гжибовский. (Фото: UNIST). |
Эта система могла бы стать основой идеальной технологии для носимых датчиков. Химоэлектронные схемы имеют почти такие же скорости переключения, как у полимерной электроники, они могут обнаруживать мельчайшие химические изменения и преобразовывать эти изменения в электронный сигнал, потребляя очень мало энергии, И, наконец, они способны выполнять логические операции, и они очень гибкие. Но что на самом деле делает их настолько привлекательными – это то, что химоэлектрические схемы очень хорошо функционируют во влажных и соленых средах.
Комбинируя до четырех типов покрытых лигандами наночастиц, исследователи изготовили различные датчики для измерения влажности, газов и ионов металлов.
Для того, чтобы увидеть эти датчики и схемы в массовом применении, будет необходимо увеличить скорость их переключения, а также повысить надежность. Например, датчики, перенесенные из влажной среды в сухую, подвержены растрескиванию от обезвоживания.
«Эти схемы очень легко сделать. Вы просто получаете их из водного/спиртового раствора, – объясняет Гжибовский – Но приложения реального мира потребуют специальных струйных принтеров и лучших инженеров в области электротехники. Мы же простые химики».
Несмотря на эти проблемы, новая схема выглядит многообещающим решением не только для логических схем, используемых во влажных условиях, но и для нового подхода к созданию наноразмерных диодов и транзисторов.
«Поскольку градиенты противоионов существуют вокруг любой наночастицы, можно было бы подумать о построении диодов или транзисторов на основе отдельных наночастиц, – добавляет Гжибовский. – Кроме того, поскольку наночастицы реагируют также на свет, мы хотим для этого типа схем добавить возможность управления светом».
