Gefühlvolle Nanodrähte

Winzige Transistor-Arrays sollen eine ähnlich hohe Empfindlichkeit aufweisen wie menschliche Haut.

Forscher an der Fakultät für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen am Georgia Institute of Technology haben klitzekleine Transistoren aus Nanodrähten entwickelt, die den Bau einer neuen Klasse von Sensoren erlauben, die fast so empfindlich auf mechanische Kräfte reagieren wie Menschenhaut.

Die von Professor Zhong Lin Wang erfundene Technik soll für unterschiedlichste Anwendungen nutzbar sein, beispielsweise in den Bereichen Robotik und Sicherheit. Mit dem System lassen sich sehr genaue elektronische Drucksignaturen erfassen, um Unterschriften fälschungssicher zu machen. Eingebaut in eine Roboterhand, hätte ein Automat einen ähnlich guten Tastsinn wie ein Mensch.

Die digitale Nachahmung der Empfindsamkeit menschlicher Haut hatte sich in den letzten Jahren als enorme Herausforderung erwiesen. Zuletzt präsentierten mehrere Forschergruppen eine sogenannte künstliche Haut, bei der eine Kombination aus Mikro- und Nanoelektronik auf einem flexiblen, biegsamen Substrat mechanische Veränderungen mit bislang ungekannt hohem Detailgrad erfassen konnten.

Wangs Gruppe hat diese Versuche nun mit Nanodrähten deutlich übertroffen. Die Genauigkeit soll ungefähr beim 15-Fachen dessen liegen, was bislang möglich war – sowohl bei Sensordichte als auch bei der räumlichen Auflösung. Außerdem erlauben die elektronischen Eigenschaften der Nanodrähte den Forschern, die Empfindlichkeit um ein Zwei- bis Dreifaches zu steigern, was sich über bildgebende Verfahren nachweisen ließ. Insgesamt sollen die Sensoren nun mit menschlicher Haut vergleichbar sein, sagt Wang.

Die Nanodrähte werden aus Kristallen des Halbleitermaterials Zinkoxid produziert und arbeiten piezoelektrisch, das heißt, sie generieren eine Ladung, sobald mechanische Kräfte auf sie wirken. Wang und seine Kollegen nutzen diesen Effekt, um einen neuen Transistortyp zu bauen, der ohne zusätzliche Spannungszufuhr auskommt. Bei der Nanodrahtvariante fehlt daher das in traditionellen Transistoren vorhandene Gate. Stattdessen wird der Stromfluss durch die Nanodrähte über eine elektrische Ladung kontrolliert, die generiert wird, sobald mechanische Kräfte angelegt werden. Aus Berührungen werden so elektrische Signale – und das deutlich besser aufgelöst als mit taktilen Sensoren, die auf Widerstands- und Kapazitätsmessung setzen.

Die Forscher konnten zeigen, dass die Sensorikleistung ihrer Technik auch dann nicht abnimmt, wenn das Substrat deformiert wird. So lässt sie sich vermutlich auch in flexibler Elektronik verbauen. Nanodrähte und die notwendigen Elektroden lassen sich zudem bei relativ niedrigeren Temperaturen herstellen, sagt Wang. "Auf jedem Substrat, egal ob es nun ein weiches Polymer, Keramik oder ein Siliziumwafer ist, wäre das möglich."

Um einen Roboter mit menschenähnlichem Tastsinn zu bauen, stellen Wangs Sensoren aber nur einen Teil der Lösung des Problems dar. Noch wichtiger ist die Auswertungstechnik, die die Signale interpretieren und dann reagieren kann. Entsprechend arbeitet das Forscherteam an dieser Logik als nächstes. Außerdem könnte sich die Genauigkeit noch weiter verbessern, in dem noch mehr Nanodraht-Transistoren auf vorhandene Flächen aufgebracht werden. ()