Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia, nos Estados Unidos, criaram uma nova classe de componentes lógicos eletrônicos nos quais a corrente elétrica é controlada pela aplicação de uma tensão mecânica em nanofios de óxido de zinco.
Essa nova classe de componentes inclui transistores e diodos que, ao contrário dos transistores e diodos atuais, que são controlados pela passagem de uma corrente elétrica, são acionados por uma pressão mecânica.
Piezoeletrônicos
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Nos transistores tradicionais, uma corrente elétrica controla o fluxo da corrente elétrica através de um semicondutor.
No novo componente, esta corrente elétrica é gerada pela deformação de nanofios de óxido de zinco - a deformação gera a energia através do efeito piezoelétrico, que produz eletricidade quando determinados materiais cristalinos são submetidos a esforços mecânicos.
Por isso, os pesquisadores batizaram os novos componentes eletrônicos de piezoeletrônicos. Esta é a primeira vez que uma ação mecânica é usada para criar uma operação lógica.
Um transistor piezoeletrônico é formado por um único nanofio de óxido de zinco, com suas duas extremidades - o emissor e o coletor - fixado em um substrato de polímero por contatos de metal. Quando o componente é flexionado, sua polaridade é invertida conforme a aplicação e a liberação da tensão mecânica distende ou comprime suas extremidades.
"Esse tipo de componente permitirá que uma ação mecânica seja interfaceada com a parte eletrônica, e pode se tornar a base para uma nova categoria de dispositivos lógicos que utilizam o potencial piezoelétrico no lugar de uma tensão elétrica," Zhong Lin Wang, coordenador da pesquisa.
Transistores acionados mecanicamente
Mas qual seria a vantagem de um transístor que, em vez de funcionar na casa dos gigahertz, funcione em "velocidade humana", dependendo de um botão acionado manualmente?
Embora nunca venham a concorrer com os componentes CMOS que equipam os computadores, os novos componentes poderão ser extremamente úteis em nanorrobótica, em sistemas microeletromecânicos (MEMS) e nanoeletromecânicos (NEMS) e nos dispositivos microfluídicos, ou biochips.
Os novos componentes piezoeletrônicos poderão fazer a integração direta desses mecanismos com a eletrônica que os controla, sendo acionados, por exemplo, pela contração do músculo artificial de um robô ou pelo fluxo de líquido no interior de um biochip - além, é claro, do apertar de um botão.
O desenvolvimento dos componentes piezoeletrônicos foi possível graças às propriedades únicas dos nanofios de óxido de zinco, que são simultaneamente semicondutores e piezoelétricos. A mesma equipe já havia usado essas nanoestruturas para criar nanogeradores que criam eletricidade a partir do movimento do corpo humano.
"A família de componentes que desenvolvemos poderá ser usada para criar sistemas em nanoescala auto-alimentados, autônomos e inteligentes," diz Wang. "Podemos criar sistemas complexos totalmente baseados em nanofios de óxido de zinco que tenham sensores, processamento e memória, e alimentados por energia elétrica capturada do meio ambiente".
Piezofototrônicos
Os pesquisadores demonstraram todas as operações lógicas básicas usando seus componentes piezoeletrônicos, incluindo portas lógicas XOR, NAND e funções de multiplexação e demultiplexação.
Eles também descobriram que a condutividade do óxido de zinco pode ser controlada com a luz de um laser, que aproveita as propriedades fotoelétricas do material.
Quando a luz ultravioleta do laser atinge um contato de metal ligado a uma estrutura de óxido de zinco são criados pares elétrons-lacunas que alteram a barreira de Schottky na interface metal-óxido de zinco.
"O laser aumenta a condutividade da estrutura," conta Wang. "O efeito do laser é contrário ao efeito piezoelétrico. O laser reduz a altura da barreira de Schottky, enquanto o efeito piezoelétrico aumenta a altura da barreira."
Wang chamou estes novos dispositivos, fabricados pelo acoplamento das propriedades piezoelétricas e fotoelétricas, de componentes piezofototrônicos.