Systemy nanoelektromechaniczne (NEMS) to urządzenia integrujące funkcje elektryczne i mechaniczne w nanoskali.
Ilustracja: Zdjęcie nanorobotów przeciwnowotworowych
NEMS to etap redukcji logicznej po tzw. układach mikroelektromechanicznych lub MEMS (systemach mikroelektromechanicznych). NEMS zazwyczaj łączy nanoelektronikę przypominającą tranzystor z mechanicznymi siłownikami, pompami lub silnikami i może tworzyć czujniki fizyczne, biologiczne i chemiczne. Nazwa wywodzi się od wymiarów konkretnego urządzenia w zakresie nanometrów, co skutkuje małą masą, wysokimi częstotliwościami rezonansu mechanicznego, dużymi potencjalnymi efektami mechaniki kwantowej, takimi jak ruch w punkcie zerowym, oraz wysokim stosunkiem powierzchni do objętości przydatnym w przypadku powierzchni mechanizmy wyczuwające. Zastosowania obejmują akcelerometry i czujniki do wykrywania substancji chemicznych w powietrzu.
Historia
Tło
Jak zauważył Richard Feynman w swoim słynnym przemówieniu z 1959 r.: „Na dole jest dużo miejsca”, istnieje wiele potencjalnych zastosowań samochodów coraz mniejszych rozmiarów. Budowanie i kontrolowanie urządzeń na mniejszą skalę przynosi korzyści wszystkim technologiom. Oczekiwane korzyści obejmują większą wydajność i zmniejszenie rozmiaru, zmniejszone zużycie energii i niższe koszty produkcji w układach elektromechanicznych.
W 1960 roku Muhammad M. Atala i Down Kahang zbudowali w Bell Labs pierwszy MOSFET z tlenkiem bramki o grubości 100 nanometrów. W 1962 roku Atalla i Kahng opracowali nanorurki (MS) na bazie metali i półprzewodników, w których zastosowano cienkie warstwy złota (Au) o grubości 10 nanometrów. W 1987 roku Bijan Davari kierował zespołem badawczym IBM, który zademonstrował pierwszy MOSFET o grubości 10 nm. Wielobramkowe tranzystory MOSFET umożliwiają skalowanie poniżej długości kanału 20 nm, zaczynając od FinFET. FinFET wywodzi się z badań Hisamoto Boilera w Hitachi Central Research Laboratory w 1989 r. Na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley zespół kierowany przez Hisamoto i Chenming Hu z TSMC zbudował w 1998 r. urządzenia FinFET do kanału 17 nanometrów.
NEM
W 2000 roku badacze IBM zademonstrowali pierwsze urządzenie NEMS na bardzo dużą skalę. Zakładano szereg końcówek AFM, które mogą podgrzewać/wyczuwać odkształcalne podłoże, aby działać jako urządzenie pamięci. Więcej urządzeń opisuje Stephen Dian. W 2007 r. Międzynarodowy plan rozwoju technologii półprzewodników (ITRS) uwzględnił pamięć NEMS jako nową pozycję w powstającym sektorze aparatury badawczej.
Mikroskop sił atomowych
Jednym z kluczowych zastosowań NEMS są końcówki mikroskopów sił atomowych. Wzrost czułości uzyskany za pomocą NEMS prowadzi do powstania mniejszych i bardziej wydajnych czujników do wykrywania naprężeń, wibracji, sił na poziomie atomowym i sygnałów chemicznych. Końcówki AFM i inne narzędzia diagnostyczne w nanoskali w dużym stopniu opierają się na NEMS.
Podejścia minimalizacyjne
Można znaleźć dwa uzupełniające się podejścia do budowania NEMS. Podejście odgórne wykorzystuje do produkcji urządzeń tradycyjne metody mikrostruktury, a mianowicie litografię optyczną, wiązkę elektronów i obróbkę cieplną. Chociaż rozdzielczość tych metod jest ograniczona, pozwala to na dużą kontrolę nad powstałymi strukturami. W ten sposób urządzenia takie jak nanodruty, nanopręty i wzorzyste nanostruktury są wykonane z cienkich warstw metalu lub grawerowanych warstw półprzewodników. W przypadku podejść odgórnych zwiększenie stosunku powierzchni do objętości zwiększa reaktywność nanomateriałów.
Z kolei podejścia oddolne wykorzystują właściwości chemiczne poszczególnych cząsteczek, aby umożliwić jednocząsteczkowym komponentom samoorganizację lub samoorganizację w przydatne komponenty lub polegać na składaniu sytuacyjnym. Podejścia te wykorzystują koncepcje samoorganizacji molekularnej i wykrywania molekularnego. Pozwala to na budowę znacznie mniejszych obiektów, choć często kosztem ograniczonej kontroli procesu budowlanego. Ponadto, podczas gdy w przypadku podejścia odgórnego usuwa się resztkowy materiał z głównej konstrukcji, w przypadku podejścia oddolnego usuwa się lub marnuje minimalną ilość materiału.
Można również zastosować kombinację tych podejść, w której cząsteczki w skali nano są integrowane w strukturze odgórnej. Jednym z takich przykładów jest nanomotor z nanorurek węglowych.
Materiały
Alotropy węgla
Wiele powszechnie stosowanych materiałów stosowanych w technologii NEMS, zwłaszcza diamenty, nanorurki węglowe i grafen, to materiały na bazie węgla. Wynika to głównie z korzystnych właściwości materiałów na bazie węgla, które bezpośrednio odpowiadają potrzebom NEMS. Właściwości mechaniczne węgla (takie jak duży moduł Younga) są niezbędne dla stabilności NEMS. Jednocześnie przewodność metali i półprzewodników materiałów na bazie węgla pozwala im działać jak tranzystory.
Grafen i diament charakteryzują się wysokim modułem Yang, niską gęstością, niskim tarciem, bardzo niskimi stratami mechanicznymi i dużą powierzchnią. Niskie tarcie CNT pozwala na praktycznie beztarciowe łożyska. Stało się to głównym impulsem do praktycznego zastosowania nanorurek CNT jako komponentów NEMS, takich jak nanosilniki, przełączniki i oscylatory wysokiej częstotliwości. Nanorurki węglowe i wytrzymałość fizyczna grafenu pozwalają materiałom na bazie węgla sprostać wyższym wymaganiom w zakresie naprężeń, czyli wtedy, gdy konwencjonalne materiały zwykle zawodzą, co dodatkowo wspiera ich wykorzystanie jako surowców w rozwoju technologii NEMS.
Oprócz zalet mechanicznych materiałów na bazie węgla, właściwości elektryczne nanorurek węglowych i grafenu umożliwiają ich zastosowanie w wielu elementach elektrycznych NEMS. Nanotranzystory opracowano zarówno dla nanorurek węglowych, jak i grafenu. Tranzystory są jednymi z podstawowych bloków wszystkich urządzeń elektronicznych, zatem wraz z efektywnym rozwojem użytecznych tranzystorów, nanorurki węglowe i grafen mają kluczowe znaczenie dla NEMS.
Metalowe nanorurki węglowe
Nanorurki węglowe (CNT) to alotropy węgla o cylindrycznej strukturze. Można je uznać za grafen walcowany. Kiedy nanorurka jest walcowana pod określonymi i dyskretnymi kątami („chiralna”), kombinacja kąta toczenia i promienia określa, czy nanorurka ma pasmo wzbronione (półprzewodnik), czy nie ma pasma wzbronionego (metal).
Nanorurki metalowo-węglowe są również zalecane do połączeń nanoelektronicznych, ponieważ mogą przenosić prąd o dużym natężeniu. Jest to przydatna funkcja, ponieważ przewody do przesyłu prądu są kolejnym istotnym elementem każdego układu elektrycznego. Nanorurki węglowe znalazły szczególne zastosowanie w NEMS, w których odkryto już metody wiązania zawieszonych nanorurek węglowych z innymi nanostrukturami. Dzięki temu nanorurki węglowe mogą tworzyć złożone układy nanoelektryczne. Ponieważ produkty na bazie węgla można odpowiednio kontrolować i pełnić funkcję złączy i tranzystorów, stanowią one podstawowy materiał w komponentach elektrycznych NEMS.
Przełączniki NEMS oparte na CNT
Jedną z głównych wad przełączników MEMS w porównaniu z przełącznikami NEMS jest ograniczony zakres mikrofal MEMS, który zakłóca działanie szybkich aplikacji. Ograniczenia prędkości przełączania i napięcia siłownika można pokonać poprzez zmniejszenie skali urządzeń ze skali mikro do nanometrów.
Porównanie parametrów wydajności przełączników NEMS opartych na nanorurkach węglowych (CNT) z ich odpowiednikami w technologii CMOS wykazało, że przełączniki NEMS oparte na CNT utrzymują wydajność przy niższych poziomach zużycia energii i mają podprogowe prądy upływowe kilka razy mniejsze niż przełączniki CMOS. Badany jest NEMS oparty na CNTS o podwójnej strukturze jako potencjalne rozwiązanie dla bramy pływającej aplikacje pamięci nieulotnej.
Trudności
Pomimo wszystkich korzystnych właściwości nanorurek węglowych i grafenowych dla technologii NEMS, produkty te napotykają liczne przeszkody w ich wdrażaniu. Jednym z głównych problemów jest reakcja węgla na rzeczywiste środowisko. Nanorurki węglowe wykazują duże zmiany właściwości elektronicznych pod wpływem tlenu.
Podobnie, przed zastosowaniem należy dokładnie zbadać inne zmiany właściwości elektronicznych i mechanicznych materiałów na bazie węgla, szczególnie ze względu na ich dużą powierzchnię, która może łatwo reagować z otaczającym środowiskiem. Stwierdzono również, że nanorurki węglowe mają różną przewodność, w zależności od tego, czy są metalem, czy półprzewodnikiem i są spiralne podczas przetwarzania.
Z tego powodu podczas przetwarzania należy zastosować specjalną obróbkę nanorurek, aby zapewnić wszystkim nanorurkom odpowiednią przewodność. Grafen ma również bardziej złożone właściwości przewodnictwa elektrycznego niż tradycyjne półprzewodniki, ponieważ nie ma przerwy energetycznej i zmienia wszystkie zasady przemieszczania się elektronów przez urządzenie na bazie grafenu. Oznacza to, że tradycyjne konstrukcje urządzeń elektronicznych prawdopodobnie nie sprawdzają się i dla tych nowych urządzeń elektronicznych należy zaprojektować zupełnie nową architekturę.
Akcelerometr nanoelektromechaniczny
Mechaniczne i elektroniczne właściwości grafenu sprawiają, że idealnie nadaje się on do integracji z akcelerometrami NEMS, takimi jak małe czujniki i siłowniki do monitorowania pracy serca oraz mobilne systemy rejestracji ruchu. Grubość skali atomowej grafenu umożliwia akcelerometry zmniejszanie się z mikroskali do nanoskali przy jednoczesnym zachowaniu poziomów czułości wymaganych przez system.
Zawieszając masę antykrzemową na dwuwarstwowym pasku grafenu, można wyprodukować nanosprężynowy i piezoelektryczny przetwornik masy w skali nano z przetwornikami prądu obsługującymi akcelerometry. Masa sprężyny zapewnia większą dokładność. Właściwości piezoelektryczne grafenu przekształcają ciśnienie z przyspieszenia na sygnały elektryczne dla akcelerometru. Zawieszona taśma grafenowa tworzy jednocześnie sprężynę i przetwornik piezoelektryczny, poprawiając jednocześnie działanie akcelerometrów NEMS.
Polidimetylosiloksan (PDMS)
Uszkodzenia spowodowane dużą przyczepnością i tarciem stanowią problem wielu NEMS. NEMS często wykorzystuje krzem ze względu na specyficzne techniki mikroobróbki. Jednak jego nieodłączna sztywność często utrudnia działanie urządzeń z ruchomymi częściami.
W badaniu przeprowadzonym przez naukowców z Ohio State University porównano parametry adhezji i tarcia monokrystalicznego krzemu z natywną warstwą tlenku z powłoką PDMS. PDMS to elastomer silikonowy, który można w dużym stopniu regulować mechanicznie, chemicznie obojętny, stabilny termicznie, gazowy, przezroczysty, niefluorescencyjny, biokompatybilny i nietoksyczny.
Nieodłączną cechą polimerów jest to, że Young Mods PDMS może zmieniać się ponad dwukrotnie, manipulując sieciowaniem łańcuchów polimerowych, co czyni go opłacalnym materiałem w NEMS i zastosowaniach biologicznych. PDMS może stworzyć mocne uszczelnienie silikonowe i łatwo integruje się z technologią NEMS, optymalizując właściwości mechaniczne i elektryczne. Polimery takie jak PDMS zaczynają przyciągać uwagę w NEMS ze względu na ich stosunkowo tanie, proste i czasochłonne prototypowanie i wytwarzanie.
Maszyny biologiczne
Maszyny biologiczne, takie jak miozyna (kontrolująca skurcze mięśni), to najbardziej złożone maszyny makromolekularne występujące w komórkach, zwykle w kompleksach wielobiałkowych.
Niektóre z nich odpowiadają za produkcję energii, inne za ekspresję genów. Mogą odegrać ważną rolę w nanomedycynie. Można je na przykład wykorzystać do identyfikacji i zabijania komórek nowotworowych.
Nanotechnologia molekularna to wyłaniająca się dziedzina nanotechnologii badająca możliwości konstruowania maszyn biologicznych, które mogą zmieniać układ materiałów w skali atomowej. BioNEMS zawiera biologiczne i syntetyczne elementy strukturalne (w nanoskali) do zastosowań biomedycznych/robotycznych. Na przykład nanoroboty można wstrzykiwać do organizmu w celu wykrywania i leczenia infekcji. Chociaż proponowane elementy BioNEMS, takie jak nanoroboty i asemblery molekularne, wykraczają daleko poza ich obecne możliwości, kilka badań przyniosło obiecujące wyniki w przyszłych zastosowaniach.
Wniosek
NEMS to potężna technologia, która integruje nauki przyrodnicze z inżynierią w sposób, który nie jest obecnie możliwy w przypadku technik na małą skalę. Będzie to miało znaczący wpływ na różne gałęzie przemysłu, w tym na przemysł półprzewodników. Najpopularniejszym urządzeniem półprzewodnikowym jest MOSFET, stanowiący 99,9% wszystkich tranzystorów. Biorąc pod uwagę długość bramki tranzystorów w urządzeniach CPU lub DRAM, krytyczna skala długości układów scalonych wynosi obecnie poniżej 50 nm. Najnowsze krzemowe tranzystory MOSFET są oparte na żebrowanych tranzystorach polowych, które wykorzystują procesy 10 i 7 nm.
Pobierz motywy WordPress za darmoPobierz najlepsze motywy WordPress do pobrania za darmoPobierz najlepsze motywy WordPress do pobrania za darmoPobieranie premium motywów WordPresspłatny kurs udemy do pobrania za darmopobierz oprogramowanie intexPobierz zerowe motywy WordPressbezpłatny kurs online
