Helderveld microscopie beeld van een VO2 vlakke actuator van het chevron-type. Superpositie in valse kleur van de punt van de shuttle bij lage en hoge temperatuur. Staaf, 1 μm. Krediet: Osaka University
Hoe zet je een ultrakleine component in geavanceerde technologieën aan en uit? Je hebt een actuator nodig, een apparaat dat input, zoals elektriciteit, fysiek in beweging zet. Actuatoren in kleinschalige technologieën hebben tot nu toe echter kritische beperkingen. Als het bijvoorbeeld moeilijk is om de actuator in halfgeleiderelektronica te integreren, zijn de praktische toepassingen van de technologie beperkt. Een actuatorontwerp dat snel werkt, een nauwkeurige aan / uit-regeling heeft en compatibel is met moderne elektronica zou enorm nuttig zijn.
In een studie die onlangs is gepubliceerd in Nano Lettersheeft een team met onderzoekers van de Osaka University zo’n actuator ontwikkeld. De gevoeligheid, snelle aan / uit-respons en precisie op nanometerschaal zijn ongeëvenaard.
De actuator van de onderzoekers is gebaseerd op vanadiumoxidekristallen. Veel huidige technologieën gebruiken een eigenschap van vanadiumoxide die bekend staat als de faseovergang om buigbewegingen buiten het vlak te veroorzaken binnen kleinschalige apparaten. Dergelijke actuatoren zijn bijvoorbeeld bruikbaar in ultrakleine spiegels. Het gebruik van de faseovergang om buiging in het vlak te veroorzaken is veel moeilijker, maar zou bijvoorbeeld nuttig zijn bij ultrakleine grijpers in de geneeskunde.
“Bij 68 ° C ondergaat vanadiumoxide een scherpe fase-overgang van monoklien naar rutiel die nuttig is in microschaaltechnologieën”, legt co-auteur Teruo Kanki uit. “We gebruikten een chevron-type (zaagtand) apparaatgeometrie om het buigen in het vlak van het kristal te versterken en nieuwe toepassingen te openen.”
Met behulp van een tweestaps-protocol vervaardigden de onderzoekers een vanadiumoxidekristal van vijftien micrometer lang dat door een reeks armen van tien micrometer aan een vast frame was bevestigd. Door middel van een faseovergang veroorzaakt door een gemakkelijk te bereiken stimulus – een temperatuurverandering van 10 ° C – beweegt het kristal 225 nanometer in het vlak. Het uitzettingsgedrag is zeer reproduceerbaar over duizenden cycli en enkele maanden.
Illustratie van het experiment: een blauwe laserdiode (LD), aangestuurd door een golfvormgenerator (WG), wordt in het midden van de shuttle gefocust terwijl een rode laserspot de punt gedeeltelijk bedekt. Gereflecteerd rood licht wordt opgevangen door een fotodiode (PD) en het resulterende elektrische signaal wordt bewaakt door een oscilloscoop (Osc) en de frequentierespons van het onderzochte apparaat. Afsnijfrequentie, ~ 2 kHz. Het apparaat wordt tijdens excitatie met de blauwe laser bij 50 ° C thermisch gemaakt. We hebben datapunten handmatig verkregen en hebben geen noemenswaardige drift in de tijd waargenomen, wat duidt op reproduceerbaarheid gedurende duizenden cycli. Krediet: Osaka University
“We hebben de actuator ook in het vlak verplaatst als reactie op een laserstraal”, zeggen Nicola Manca en Luca Pelligrino, co-auteurs. “De aan / uit-responstijd was een fractie van een milliseconde nabij de faseovergangstemperatuur, met weinig verandering bij andere temperaturen, waardoor onze actuatoren de meest geavanceerde ter wereld zijn.”
Kleinschalige technologieën zoals geavanceerde geïmplanteerde apparaten voor medicijnafgifte zouden niet werken zonder de mogelijkheid om ze snel aan en uit te zetten. Het onderliggende principe van de actuator van de onderzoekers – een omkeerbare faseovergang voor aan / uit, beweging in het vlak – zal de bruikbaarheid van veel moderne technologieën drastisch vergroten. De onderzoekers verwachten dat de nauwkeurigheid en snelheid van hun actuator vooral nuttig zal zijn voor micro-robotica.
Nicola Manca et al, Planar Nanoactuators Gebaseerd op VO2 Phase Transition, Nano Letters (2020). DOI: 10.1021 / acs.nanolett.0c02638
Nano Letters
Geleverd door Osaka University
