Большое возвращение небольшого выключателя

Сотрудники Университета Карнеги-Меллона разрабатывают надежные механические переключатели размером с молекулу ДНК. Электрические выключатели, механические устройства, которые создают и разрывают соединение в электрической цепи, используются повсеместно. Они включают и выключают наши светильники, посудомоечные машины и сушилки. В автоматических выключателях они прерывают опасные уровни тока. Другой тип переключателя в твердотельной форме лежит в основе цифровой логики, лежащей в основе компьютерных технологий. Хотя эти устройства на самом деле являются транзисторами, которые могут работать как усилители, как в радиоприемнике, в цифровой логике они действуют как переключатели для удержания состояния “включено” или “выключено”, также известного как “1” или “0”.

Технология цифровых коммутаторов оказала такое трансформационное воздействие на общество, что ее преимущества выходят за пределы способности экономистов количественно оценить ее ценность. Без транзисторной технологии у нас не было бы компьютеров, Интернета, цифровых камер, смартфонов или устройств контроля за показателями жизнедеятельности или ядовитыми газами.

Выключатели настенного освещения имеют те же размеры и были изготовлены так же, как и 50 лет назад. Но размер полупроводниковых переключателей за тот же период уменьшился в миллионы раз, что позволяет использовать их миллиарды в компьютерных чипах.

Хотя твердотельные переключатели чрезвычайно надежны, они не могут стать намного меньше. И они имеют тенденцию пропускать ток, даже когда они должны быть выключены. Следовательно, энергоэффективность снизилась, поскольку твердотельные переключатели стали меньше. Поскольку цифровая логика настолько распространена, огромное количество энергии тратится впустую.

Возможное решение этой проблемы – вернуться к механическому выключателю, в котором физически открывается зазор, чтобы не было утечки тока. Тем не менее, механические переключатели по-прежнему примерно в 10000 раз больше, чем транзисторы, даже если используются процессы, аналогичные твердотельным батареям. Также проблематичным является их тенденция быть гораздо менее надежным, чем твердотельные переключатели.

Исследователи Маартен де Бур и Джанлука Пьяцца из Технического колледжа Университета Карнеги-Меллона изучают, как преодолеть эти трудности, создавая надежные наноразмерные механические переключатели, также называемые нанореле. Их работа была профинансирована за счет гранта в размере 2 миллионов долларов США, выделенного в рамках программы Национального научного фонда США по обеспечению процветания, здоровья и инфраструктуры (LEAP-HI).

Программа LEAP-HI ставит перед инженерным исследовательским сообществом задачу взять на себя лидирующую роль в решении сложных, неотложных и вытекающих из этого задач, способствующих процветанию, здоровью и инфраструктуре Америки.

Поскольку проблема настолько сложна, исследователи разбивают проект на отдельные компоненты. Пьяцца, профессор электротехники и вычислительной техники, занимается разработкой механических переключателей, таких же маленьких, как современные твердотельные переключатели.

“Наша цель – создать механические переключатели размером с молекулу ДНК”, – сказал Пьяцца. – “Для этого мы используем твердотельный материал, который при нагревании претерпевает фазовое превращение и расширяется на 10%. Это примерно такое же изменение объема, которое происходит при замерзании воды. Это превращение приводит к огромным силам и достаточно большим смещениям, чтобы преодолеть зазоры в нанометровом масштабе и сформировать хорошие электрические контакты, как в настенных выключателях освещения”.

Де Бур, профессор машиностроения, сосредоточится на повышении надежности выключателей. “Несмотря на простоту концепции, физика в интерфейсе механического переключателя является сложной, и необходимо решать междисциплинарные задачи”, – сказал де Бур. – “Из-за небольшой степени шероховатости поверхности уровни механических напряжений на контактирующих поверхностях близки к пределу, который могут выдерживать материалы”.

“Углеводороды из атмосферы могут накапливаться на границе раздела и увеличивать электрическое сопротивление”, – добавил он. – “Поверхности могут становиться липкими, и переключатель может больше не размыкаться. Твердотельные переключатели обходят эти проблемы, но теперь достигают своих собственных пределов, поэтому механический переключатель теперь снова работает. Мы будем исследовать проводящие оксидные материалы как способ решения этого проблемного вопроса.”

Де Бур и Пьяцца с оптимизмом смотрели на важный предварительный результат, когда они продемонстрировали масштабируемую архитектуру устройств на микроуровне. Они представили работу этого устройства NEMS Relay с фазовым переходом (PCNR) на 65-й Международной конференции по электронным устройствам IEEE в декабре 2019 года.

Следующие шаги должны были уменьшить эту архитектуру на наноразмера и увеличить количество циклов. В случае успеха команда ожидает, что результаты окажут влияние на целый ряд электронных устройств, используемых для хранения данных, вычислений и Интернета вещей.

“Мы надеемся, что нанореле могут дополнять и улучшать полупроводниковые переключатели, которые в настоящее время производятся с использованием самых передовых технологий, известных обществу”, – сказал де Бур. – “Мы с нетерпением ждем решения проблем с отличной командой”.

По материалам Techxplore