今日, 美國麻省理工學院 (MIT) 的研究人員設計了一種將納米級電子器件嫁接到浮動微型顆粒上的方法, 以進行監測, 從各種環境中的氣體到人類消化系統的內部工作.
上周在美國化學學會全國會議和博覽會上, 麻省理工學院的化學工程教授邁克爾·斯特拉諾及其研究小組的研究員沃洛迪米爾·科曼介紹了他們利用範德華力 (在原子和分子之間形成一個鍵, 使其靠近在一起的力) 使由二維 (2D) 材料製成的電子器件能夠粘附到漂浮的微粒上.
斯特拉諾和科曼利用二維材料二硫化鉬和二硒化鎢 (屬於過渡金屬二硫族化合物材料) 製造了三個分立的電子器件: 能夠將光轉換為電流的電源; 能夠檢測分子的感測器; 以及可以檢索感測器收集的數據的存儲器件.
對於電源, 研究人員將二硫化鉬和二硒化鎢結合起來, 形成一個p-n異質結, 作為光電二極體. 這種普遍存在的p-n結是構成太陽能電池, 發光二極體, 光電探測器和雷射器等設備的主要部分.
在解釋該器件如何將光轉化為電荷時, 科曼說: '二硫化鉬在製備過程中被氧化. 材料的薄氧化層具有儲存電荷的能力, 當施加閾值電壓時, 二硫化鉬捕獲電荷並改變其電阻, 切換到不同的狀態. '
該感測器器件證明了2D材料的強度, 因為它們的原子薄度對其電阻的變化高度敏感. 在這種情況下, 研究人員使用單層的二硫化鉬製造了一種化學物質, 其中材料的電阻隨分子的存在而改變.
最後一個電子元件—存儲器件, 並不總是被證明是很容易由2D材料製備. 但今年早些時候, 德克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員發現了一種方法, 通過在兩個電極之間夾入一層原子層厚的二硫化鉬來製備存儲器件, 並發現所得器件具有憶阻值. MIT團隊開發的器件基本結構是在兩個電極之間夾著一層鉬二硫化物的原子層. 兩個電極中一個由銀製成, 另一個由金製成. 據科曼稱, 該存儲器件是在2015年在Nature Materials上發表的研究基礎上建模製成的.
根據科曼稱, 這三個器件都是獨立的, 但都整合在一塊晶片中. '模組化是我們努力的目標, 以便我們能夠交換, 增加和減少各個組件. '
電子器件準備就緒後, 該團隊需要找到完美的微粒, 在其上附加他們的2D電子器件. 他們安置在稱為SU-8的微米尺寸顆粒上. 該顆粒的關鍵特徵是, 它是一種膠體顆粒, 可懸浮在懸浮液中.
研究人員發現, 他們可以推動裝有納米電子器件的微粒以氣溶膠的形式運行, 粒子的行進距離可達一米. 在物理實驗中, 研究人員將他們的微型機器人推進類比天然氣管道, 以檢測碳微粒或揮發性有機化合物.
為了在微型機器人沿著煤氣管走完之後將其收集, 研究人員給它們附加了小反射鏡, 以便通過它們的光反射看到微型機器人. 微型機器人具有金屬連接, 一旦收集後便有可能下載其存儲的資訊.
雖然類比天然氣管道是第一個測試, 但研究人員也在研究將這些設備用作人體消化系統監測器的潛力.
根據科曼的說法, 未來工作的目標將是擴展可整合在晶片上的電子器件庫.
他補充說: '我們將把這些不同的機器應用到不同的應用中, 例如人體消化系統, 大面積監測, 延長管道監測和地質勘探. '