«Наноэлектромеханические резонаторы используются во всех видах современной техники. Вы можете их не видеть, но их можно найти в робототехнике, медицинских инструментах и датчиках окружающей среды», — говорит профессор Университета Осаки Хидезаку Танака, который разрабатывает новые нанотехнологии.Ранее в этом году Танака и его исследовательская группа сообщили об автономной нанопроволоке, которая может снизить энергопотребление нанорезонаторов в сто раз.«Переходные металлы претерпевают переход из изолятора в металл.
Мы сделали автономные нанопроволоки из диоксида ванадия (VO2), которые имели высокие характеристики при низкой мощности».Фазовый переход может происходить при подаче электроэнергии в кристаллы VO2.
Поскольку механический отклик на мощность является нелинейным, Танака показал, что беспрецедентно низкие уровни мощности могут быть использованы для создания непропорционально сильного механического отклика. Танака обнаружил, что автономность провода является ключевым моментом, поскольку в противном случае нелинейность и, следовательно, энергоэффективность были намного меньше.
«Построить автономную нанопроволоку было непросто. Оксиды металлов очень жесткие и хрупкие. Мы могли бы изготовить нанопроволоки, выращивая их на оксиде магния (MgO) и затем вытравливая слой MgO».В своей последней публикации команда разработчиков группы Танака, группы профессора Даниэля Марре из Италии и доктора Никола Манка из группы Нидерландов определила, насколько простой может быть конструкция нанорезонаторов с использованием его автономных нанопроволок VO2.
Благодаря электромеханическим свойствам кристаллов VO2 и его автономной конструкции, нанопроволоки могли генерировать механические колебания на частотах МГц, используя не что иное, как простой источник постоянного тока. Такое эффективное преобразование электрической энергии в механическую работу снижает потребность в специализированных электронных устройствах, что позволяет создавать еще меньшие нано-электромеханические системы (НЭМС), чем те, которые используются в настоящее время.
Нанопроволоки зависят от спонтанных колебаний электрического сигнала, вызванных фазовыми переходами в VO2. Эти электрические колебания заставляют нанопроволоки VO2 также колебаться, но нелинейная электромеханическая связь означает, что эта мощность в наномасштабе может генерировать колебания VO2 на частотах МГц.
Команда показала, что дополнительная энергия для колебаний кристалла приходит в виде тепла, вызванного электрической мощностью.«Мы разработали нашу конструкцию таким образом, чтобы эффект Джоуля был локализован в зазоре открытого VO2. Мы обнаружили, что источником энергии для механического отклика является тепловое рассеяние, а не электрическая мощность», — сказал Танака.Разработка NEMS, которая эффективно использует тепло, выделяемое при фазовых переходах, дает новую парадигму для энергоэффективных технологий.
«Наша система проста и масштабируема. Она открывает возможность реализации NEMS с быстрым переключением и питанием от источника постоянного тока».