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Erster All-Nanodraht-Sensor
Forscher der University of California, Berkeley, haben die erste integrierte Schaltung entwickelt, die Nanodrähte sowohl als Sensoren als auch als elektronische Komponenten verwendet. Mit einer einfachen Drucktechnik konnte die Gruppe große Anordnungen einheitlicher Schaltkreise herstellen, die als Bildsensoren dienen könnten. Unser Ziel ist es, All-Nanowire-Sensoren zu entwickeln, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden können, sagt Ali Javey , einem Professor für Elektrotechnik an der UC Berkeley, der die Forschung leitete.
Im Quadrat entfernt: University of California, Berkeley, konnten Forscher aus zwei Arten winziger Nanodrähte eine geordnete Schaltungsanordnung erstellen, die als optische Sensoren und Transistoren fungieren kann. Jeder der Schaltkreise des 13-mal-20-Arrays dient als einzelnes Pixel in einem vollständig aus Nanodraht bestehenden Bildsensor.
Nanodrähte sind gute Sensoren, weil ihre kleinen Abmessungen ihre Empfindlichkeit erhöhen. Lichtsensoren auf Nanodrahtbasis können beispielsweise nur wenige Photonen detektieren. Um in praktischen Geräten nützlich zu sein, müssen die Sensoren jedoch in eine Elektronik integriert werden, die solche kleinen Signale verstärken und verarbeiten kann. Dies war ein Problem, da die für die Sensorik und die Elektronik verwendeten Materialien nicht einfach auf derselben Oberfläche montiert werden können. Darüber hinaus war es schwierig, eine zuverlässige Methode zur Ausrichtung der winzigen Nanodrähte zu finden, die im großen Maßstab praktikabel sein könnte.
Ein von der Berkeley-Gruppe entwickeltes Druckverfahren könnte beide Probleme lösen. Zuerst scheiden die Forscher ein Polymer auf einem Siliziumsubstrat ab und verwenden Lithographie, um Muster herauszuätzen, wo die optischen Sensor-Nanodrähte sein sollten. Dann drucken sie eine einzelne Schicht Cadmiumselenid-Nanodrähte über das Muster; das Entfernen des Polymers hinterlässt nur die Nanodrähte an der gewünschten Stelle für die Schaltung. Sie wiederholen den Vorgang mit der zweiten Art von Nanodrähten, die über Germaniumkerne und Siliziumhüllen verfügen und die Basis der Transistoren bilden. Schließlich legen sie Elektroden ab, um die Schaltkreise zu vervollständigen.
Die gedruckten Nanodrähte werden zunächst auf separaten Substraten aufgewachsen, die die Forscher aufpressen und über das Silizium gleiten lassen. Diese Art der Nanodrahtübertragung ist gut zum Ausrichten der Drähte, sagt Deli Wang , Professor für Elektro- und Computertechnik an der University of California, Santa Barbara, der nicht an der Forschung beteiligt war. Damit das Gerät richtig funktioniert, ist eine gute Ausrichtung erforderlich, da das optische Signal von der Polarisation des Lichts abhängt, die wiederum von der Ausrichtung der Nanodrähte abhängt. In ähnlicher Weise erfordern Transistoren ein hohes Maß an Ausrichtung, um gut ein- und auszuschalten.
Ein weiterer potenzieller Vorteil des Druckverfahrens sei, dass die Nanodrähte nicht nur auf Silizium, sondern auch auf Papier oder Kunststoff gedruckt werden könnten, sagt Javey. Er sieht Anwendungen wie Sensorbänder vor – lange Rollen gedruckter Sensoren, die zum Testen der Luftqualität oder zum Erfassen kleinster Chemikalienkonzentrationen verwendet werden. Unsere nächste Herausforderung besteht darin, eine drahtlose Komponente zu entwickeln, die die Signale von der Schaltung an eine Zentraleinheit weiterleitet, sagt er.
Aber vorerst haben die Forscher die Technik als Möglichkeit demonstriert, einen Bildsensor zu erstellen. Sie strukturierten die Nanodrähte auf dem Substrat, um ein 13-mal-20-Array von Schaltungen herzustellen, in denen jede Schaltung als einzelnes Pixel fungiert. Die Cadmiumselenid-Nanodrähte wandeln einfallende Photonen in Elektronen um, und zwei verschiedene Schichten von Germanium-Silizium-Nanodraht-Transistoren verstärken das resultierende elektrische Signal um bis zu fünf Größenordnungen. Dies demonstriert eine herausragende Anwendung von Nanodrähten in der integrierten Elektronik, sagt Zhong Lin Wang , Direktor des Center for Nanostructure Characterization an der Georgia Tech.
Nachdem das Gerät unter Halogenlicht gestellt und der Ausgangsstrom jedes Stromkreises gemessen wurde, stellte die Gruppe fest, dass etwa 80 Prozent der Stromkreise die Intensität des auf sie gestrahlten Lichts erfolgreich registrierten. Javey führt das Versagen der anderen 20 Prozent auf Herstellungsfehler wie kurzgeschlossene Elektroden und Fehldrucke zurück, die zu einer schlechten Ausrichtung der Nanodrähte führten. Er stellt fest, dass all diese Probleme mit verfeinerten Herstellungsmethoden gelöst werden können.
Die Forscher planen auch, die Schaltung zu verkleinern, um die Auflösung und Empfindlichkeit zu verbessern. Schließlich, sagt Javey, wollen sie, dass alles auf der Schaltung druckbar ist, einschließlich der Elektroden und Kontakte, was dazu beitragen könnte, die Kosten weiter zu senken.