2020-05-10 11:43

新型分子大小的机械开关

电气开关,作为在电路中建立和断开连接的机械设备无处不在。他们打开和关闭我们的灯、洗碗机和烘干机等众多的电器产品。在断路器中,它们会中断危险的电流水平。固态形式的另一种类型的开关是计算机技术基础的数字逻辑的核心。尽管这些设备实际上是晶体管,可以像收音机一样用作放大器,但在数字逻辑中,它们充当开关以保持“开”或“关”状态,也称为“ 1”或“ 0”。

数字开关技术对社会产生了巨大的变革性影响,其优势超越了经济学家量化其价值的能力。没有晶体管技术,我们将没有计算机,互联网,数码相机,智能手机或生命迹象或有毒气体监测设备。

壁灯开关的尺寸与50年前相同,并且制造方式也是相同的。但是,固态开关在同一时期内缩小了百万分之一,使数十亿个固态开关可以在计算机芯片上使用。

尽管固态开关非常可靠,但它们却无法变得更小。而且,即使它们应该“关断”,它们也会泄漏电流。因此,随着固态开关的变小,能量效率也下降了。由于数字逻辑无处不在,因此浪费了大量能量。

解决此问题的一种可能方法是返回到机械开关,在该开关中,物理上会打开一个间隙,这样就不会漏电。然而,即使使用与固态电池类似的制造工艺,机械开关仍比晶体管大约10,000倍。同样有问题的是,它们比固态开关的可靠性要低得多。

卡内基梅隆大学工程学院的研究人员Maarten de Boer和Gianluca Piazza正在研究如何克服这些挑战,从而开发出可靠的纳米级机械开关,也称为纳米继电器。他们的工作得到了美国国家科学基金会美国繁荣,健康与基础设施领先工程计划(LEAP-HI)的200万美元资助。

LEAP-HI计划向工程研究界发出挑战,要求其在应对要求,紧迫和随之而来的挑战中扮演领导角色,以促进国家的繁荣,健康和基础设施。

由于问题比较复杂,研究人员将项目分解为单独的部分。电气和计算机工程学教授Piazza致力于开发与现代固态开关一样小的机械开关。

Piazza说:“我们的目标是建立一个DNA分子大小的机械开关。为此,我们使用一种固态材料,该固态材料在加热后会发生相变并膨胀10%。这与水冻结时发生的体积变化大致相同。这种转变会产生巨大的力和足够大的位移弥合纳米级的间隙并形成与壁灯开关相同的良好电接触。”

机械工程学教授De Boer专注于提高开关的可靠性。他正在与宾夕法尼亚大学的Robert Carpick合作,后者在研究纳米级点接触行为方面具有专业知识,他与香港城市大学的材料理论专家David Srolovitz合作。

Boer说:“虽然概念上很简单,但是机械开关界面中的物理却很复杂,必须解决跨学科的挑战。由于表面粗糙度很小,接触表面的机械应力水平接近材料可以承受的极限。”

他补充说:“来自大气的碳氢化合物会在界面处积聚并增加电阻。表面可能变得发粘,开关可能不再打开。固态开关可以克服这些问题,但现在已经达到了极限,因此机械开关现在又重新发挥了作用。我们将研究导电氧化物材料,以解决这种问题。”

De Boer和Piazza对初步结果表示乐观,他们在微观规模上展示了可扩展的设备架构。他们在2019年12月的IEEE第65届国际电子设备会议上介绍了此相变NEMS中继(PCNR)设备的操作。

下一步是将该体系结构扩展到纳米级,并增加周期数。如果成功,该团队预计结果会影响用于数据存储,计算和物联网的一系列电子设备。

Boer说:“我们的希望是纳米继电器可以补充和增强固态开关,固态开关现在已经由社会上已知的一些最先进的技术制造。我们期待与一支强大的团队合作研究开发。”