今日, 美国麻省理工学院 (MIT) 的研究人员设计了一种将纳米级电子器件嫁接到浮动微型颗粒上的方法, 以进行监测, 从各种环境中的气体到人类消化系统的内部工作.
上周在美国化学学会全国会议和博览会上, 麻省理工学院的化学工程教授迈克尔·斯特拉诺及其研究小组的研究员沃洛迪米尔·科曼介绍了他们利用范德华力 (在原子和分子之间形成一个键, 使其靠近在一起的力) 使由二维 (2D) 材料制成的电子器件能够粘附到漂浮的微粒上.
斯特拉诺和科曼利用二维材料二硫化钼和二硒化钨 (属于过渡金属二硫族化合物材料) 制造了三个分立的电子器件: 能够将光转换为电流的电源; 能够检测分子的传感器; 以及可以检索传感器收集的数据的存储器件.
对于电源, 研究人员将二硫化钼和二硒化钨结合起来, 形成一个p-n异质结, 作为光电二极管. 这种普遍存在的p-n结是构成太阳能电池, 发光二极管, 光电探测器和激光器等设备的主要部分.
在解释该器件如何将光转化为电荷时, 科曼说: '二硫化钼在制备过程中被氧化. 材料的薄氧化层具有储存电荷的能力, 当施加阈值电压时, 二硫化钼捕获电荷并改变其电阻, 切换到不同的状态. '
该传感器器件证明了2D材料的强度, 因为它们的原子薄度对其电阻的变化高度敏感. 在这种情况下, 研究人员使用单层的二硫化钼制造了一种化学物质, 其中材料的电阻随分子的存在而改变.
最后一个电子元件—存储器件, 并不总是被证明是很容易由2D材料制备. 但今年早些时候, 德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员发现了一种方法, 通过在两个电极之间夹入一层原子层厚的二硫化钼来制备存储器件, 并发现所得器件具有忆阻值. MIT团队开发的器件基本结构是在两个电极之间夹着一层钼二硫化物的原子层. 两个电极中一个由银制成, 另一个由金制成. 据科曼称, 该存储器件是在2015年在Nature Materials上发表的研究基础上建模制成的.
根据科曼称, 这三个器件都是独立的, 但都集成在一块芯片中. '模块化是我们努力的目标, 以便我们能够交换, 增加和减少各个组件. '
电子器件准备就绪后, 该团队需要找到完美的微粒, 在其上附加他们的2D电子器件. 他们安置在称为SU-8的微米尺寸颗粒上. 该颗粒的关键特征是, 它是一种胶体颗粒, 可悬浮在悬浮液中.
研究人员发现, 他们可以推动装有纳米电子器件的微粒以气溶胶的形式运行, 粒子的行进距离可达一米. 在物理实验中, 研究人员将他们的微型机器人推进模拟天然气管道, 以检测碳微粒或挥发性有机化合物.
为了在微型机器人沿着煤气管走完之后将其收集, 研究人员给它们附加了小反射镜, 以便通过它们的光反射看到微型机器人. 微型机器人具有金属连接, 一旦收集后便有可能下载其存储的信息.
虽然模拟天然气管道是第一个测试, 但研究人员也在研究将这些设备用作人体消化系统监测器的潜力.
根据科曼的说法, 未来工作的目标将是扩展可集成在芯片上的电子器件库.
他补充说: '我们将把这些不同的机器应用到不同的应用中, 例如人体消化系统, 大面积监测, 延长管道监测和地质勘探. '