Νανοηλεκτρομηχανικά συστήματα

Τα νανοηλεκτρομηχανικά συστήματα (NEMS) είναι μια κατηγορία διατάξεων που ενσωματώνουν ηλεκτρική και μηχανική λειτουργικότητα στη νανοκλίμακα. Τα NEMS αποτελούν το επόμενο λογικό βήμα σμίκρυνσης από τα λεγόμενα μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα ή συσκευές MEMS. Τα NEMS ενσωματώνουν συνήθως νανοηλεκτρονικά τύπου τρανζίστορ με μηχανικούς ενεργοποιητές, αντλίες ή κινητήρες και μπορούν έτσι να αποτελέσουν φυσικούς, βιολογικούς και χημικούς αισθητήρες. Η ονομασία προέρχεται από τις τυπικές διαστάσεις των συσκευών στην περιοχή των νανομέτρων, που οδηγούν σε χαμηλή μάζα, υψηλές συχνότητες μηχανικού συντονισμού, δυνητικά μεγάλα κβαντομηχανικά φαινόμενα, όπως η κίνηση μηδενικού σημείου, και υψηλό λόγο επιφάνειας προς όγκο, χρήσιμο για μηχανισμούς ανίχνευσης με βάση την επιφάνεια. Οι εφαρμογές περιλαμβάνουν επιταχυνσιόμετρα και αισθητήρες για την ανίχνευση χημικών ουσιών στον αέρα.

Ιστορία

Ιστορικό 
Όπως σημείωσε ο Richard Feynman στη διάσημη ομιλία του το 1959, "There's Plenty of Room at the Bottom", υπάρχουν πολλές πιθανές εφαρμογές μηχανών σε όλο και μικρότερα μεγέθη- με την κατασκευή και τον έλεγχο συσκευών σε μικρότερες κλίμακες, όλη η τεχνολογία επωφελείται. Τα αναμενόμενα οφέλη περιλαμβάνουν μεγαλύτερη αποδοτικότητα και μειωμένο μέγεθος, μειωμένη κατανάλωση ενέργειας και χαμηλότερο κόστος παραγωγής στα ηλεκτρομηχανικά συστήματα.

Το 1960, οι Mohamed M. Atalla και Dawon Kahng στα Bell Labs κατασκεύασαν το πρώτο MOSFET με πάχος οξειδίου πύλης 100 nm. Το 1962, οι Atalla και Kahng κατασκεύασαν ένα τρανζίστορ σύνδεσης μετάλλου-ημιαγωγού (M-S junction) με βάση νανοστρώματα που χρησιμοποιούσε λεπτά υμένια χρυσού (Au) με πάχος 10 nm. Το 1987, ο Bijan Davari ηγήθηκε μιας ερευνητικής ομάδας της IBM που επέδειξε το πρώτο MOSFET με πάχος οξειδίου 10 nm. Τα MOSFET πολλαπλών πυλών επέτρεψαν την κλιμάκωση κάτω από το μήκος καναλιού των 20 nm, ξεκινώντας με το FinFET. Το FinFET προέρχεται από την έρευνα του Digh Hisamoto στο Κεντρικό Ερευνητικό Εργαστήριο της Hitachi το 1989.0 Στο UC Berkeley, μια ομάδα με επικεφαλής τον Hisamoto και τον Chenming Hu της TSMC κατασκεύασε διατάξεις FinFET με μήκος καναλιού έως 17 nm το 1998.

NEMS 

Το 2000, η πρώτη συσκευή NEMS πολύ μεγάλης κλίμακας ολοκλήρωσης (VLSI) επιδείχθηκε από ερευνητές της IBM. Η παραδοχή της ήταν μια συστοιχία από μύτες AFM οι οποίες μπορούν να θερμαίνουν/ανιχνεύουν ένα παραμορφώσιμο υπόστρωμα προκειμένου να λειτουργούν ως συσκευή μνήμης. Περαιτέρω συσκευές έχουν περιγραφεί από τον Stefan de Haan. Το 2007, ο Διεθνής Τεχνικός Χάρτης Πορείας για τους Ημιαγωγούς (ITRS) περιέχει τη μνήμη NEMS ως νέα καταχώριση στην ενότητα Emerging Research Devices.

Μικροσκοπία ατομικής δύναμης 

Μια βασική εφαρμογή των NEMS είναι τα ακροφύσια μικροσκοπίου ατομικής δύναμης. Η αυξημένη ευαισθησία που επιτυγχάνεται με τα NEMS οδηγεί σε μικρότερους και αποτελεσματικότερους αισθητήρες για την ανίχνευση τάσεων, δονήσεων, δυνάμεων σε ατομικό επίπεδο και χημικών σημάτων. Οι μύτες AFM και άλλες ανιχνεύσεις στη νανοκλίμακα βασίζονται σε μεγάλο βαθμό στα NEMS.

Προσεγγίσεις για τη σμίκρυνση 

Μπορούν να βρεθούν δύο συμπληρωματικές προσεγγίσεις για την κατασκευή των NEMS. Η προσέγγιση από πάνω προς τα κάτω χρησιμοποιεί τις παραδοσιακές μεθόδους μικροκατασκευής, δηλαδή την οπτική, τη λιθογραφία με δέσμη ηλεκτρονίων και τις θερμικές επεξεργασίες, για την κατασκευή διατάξεων. Αν και περιορίζεται από την ανάλυση αυτών των μεθόδων, επιτρέπει μεγάλο βαθμό ελέγχου των δομών που προκύπτουν. Με αυτόν τον τρόπο κατασκευάζονται διατάξεις όπως νανοκαλώδια, νανοράβδοι και νανοδομές με μοτίβο από μεταλλικά λεπτά υμένια ή χαραγμένα στρώματα ημιαγωγών. Για τις προσεγγίσεις από πάνω προς τα κάτω, η αύξηση του λόγου επιφάνειας προς όγκο ενισχύει την αντιδραστικότητα των νανοϋλικών.

Οι προσεγγίσεις από κάτω προς τα πάνω, αντίθετα, χρησιμοποιούν τις χημικές ιδιότητες των μεμονωμένων μορίων για να προκαλέσουν την αυτο-οργάνωση ή την αυτο-συναρμολόγηση των συστατικών ενός μορίου σε κάποια χρήσιμη διαμόρφωση ή βασίζονται στη συναρμολόγηση με βάση τη θέση. Αυτές οι προσεγγίσεις χρησιμοποιούν τις έννοιες της μοριακής αυτοσυγκρότησης ή/και της μοριακής αναγνώρισης. Αυτό επιτρέπει την κατασκευή πολύ μικρότερων δομών, αν και συχνά με το κόστος του περιορισμένου ελέγχου της διαδικασίας κατασκευής. Επιπλέον, ενώ υπάρχουν υπολείμματα υλικών που αφαιρούνται από την αρχική δομή για την προσέγγιση "από πάνω προς τα κάτω", ελάχιστο υλικό αφαιρείται ή σπαταλιέται για την προσέγγιση "από κάτω προς τα πάνω".

Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ένας συνδυασμός αυτών των προσεγγίσεων, κατά τον οποίο μόρια νανοκλίμακας ενσωματώνονται σε ένα πλαίσιο από πάνω προς τα κάτω. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι ο νανοκινητήρας νανοσωλήνων άνθρακα.

Υλικά

Αλλοτροπικά του άνθρακα 

Πολλά από τα υλικά που χρησιμοποιούνται συνήθως για την τεχνολογία NEMS έχουν ως βάση τον άνθρακα, συγκεκριμένα το διαμάντι, οι νανοσωλήνες άνθρακα και το γραφένιο. Αυτό οφείλεται κυρίως στις χρήσιμες ιδιότητες των υλικών με βάση τον άνθρακα, οι οποίες ανταποκρίνονται άμεσα στις ανάγκες των NEMS. Οι μηχανικές ιδιότητες του άνθρακα (όπως το μεγάλο μέτρο ελαστικότητας Young) είναι θεμελιώδεις για τη σταθερότητα των NEMS, ενώ οι μεταλλικές και ημιαγωγικές αγωγιμότητες των υλικών με βάση τον άνθρακα τους επιτρέπουν να λειτουργούν ως τρανζίστορ.

Τόσο το γραφένιο όσο και το διαμάντι παρουσιάζουν υψηλό μέτρο ελαστικότητας Young, χαμηλή πυκνότητα, χαμηλή τριβή, εξαιρετικά χαμηλή μηχανική διάχυση και μεγάλη επιφάνεια. Η χαμηλή τριβή των CNTs, επιτρέπει πρακτικά έδρανα χωρίς τριβή και έτσι αποτέλεσε τεράστιο κίνητρο προς την κατεύθυνση πρακτικών εφαρμογών των CNTs ως συστατικών στοιχείων σε NEMS, όπως νανοκινητήρες, διακόπτες και ταλαντωτές υψηλής συχνότητας. Η φυσική αντοχή των νανοσωλήνων άνθρακα και του γραφενίου επιτρέπει στα υλικά με βάση τον άνθρακα να ανταποκρίνονται σε υψηλότερες απαιτήσεις καταπόνησης, όταν τα κοινά υλικά θα αστοχούσαν κανονικά και έτσι υποστηρίζουν περαιτέρω τη χρήση τους ως κύρια υλικά στην τεχνολογική ανάπτυξη των NEMS. 0

Μαζί με τα μηχανικά οφέλη των υλικών με βάση τον άνθρακα, οι ηλεκτρικές ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα και του γραφενίου επιτρέπουν τη χρήση τους σε πολλά ηλεκτρικά εξαρτήματα των NEMS. Έχουν αναπτυχθεί νανοτρανζίστορ τόσο για τους νανοσωλήνες άνθρακα όσο και για το γραφένιο. Τα τρανζίστορ είναι ένα από τα βασικά δομικά στοιχεία για όλες τις ηλεκτρονικές συσκευές, οπότε με την αποτελεσματική ανάπτυξη χρήσιμων τρανζίστορ, οι νανοσωλήνες άνθρακα και το γραφένιο είναι και τα δύο πολύ κρίσιμα για τα NEMS.

Οι νανομηχανικοί αντηχεία κατασκευάζονται συχνά από γραφένιο. Καθώς οι αντηχεία NEMS μικραίνουν σε μέγεθος, υπάρχει μια γενική τάση για μείωση του συντελεστή ποιότητας σε αντίστροφη αναλογία με τον λόγο επιφάνειας προς όγκο. Ωστόσο, παρά την πρόκληση αυτή, έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι μπορεί να επιτευχθεί συντελεστής ποιότητας έως και 2400.  Ο συντελεστής ποιότητας περιγράφει την καθαρότητα του τόνου των δονήσεων του αντηχείου. Επιπλέον, έχει προβλεφθεί θεωρητικά ότι η σύσφιξη των μεμβρανών γραφενίου σε όλες τις πλευρές αποδίδει αυξημένους αριθμούς ποιότητας. Τα NEMS γραφενίου μπορούν επίσης να λειτουργήσουν ως αισθητήρες μάζας, δύναμης και θέσης.

Μεταλλικοί νανοσωλήνες άνθρακα 

Οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) είναι αλλοτροπίες του άνθρακα με κυλινδρική νανοδομή. Μπορούν να θεωρηθούν τυλιγμένο γραφένιο. Όταν τυλίγονται σε συγκεκριμένες και διακριτές ("χειρόμορφες") γωνίες και ο συνδυασμός της γωνίας κύλισης και της ακτίνας αποφασίζει αν ο νανοσωλήνας έχει χάσμα ζώνης (ημιαγώγιμος) ή όχι (μεταλλικός).

Οι μεταλλικοί νανοσωλήνες άνθρακα έχουν επίσης προταθεί για νανοηλεκτρονικές διασυνδέσεις, καθώς μπορούν να μεταφέρουν υψηλές πυκνότητες ρεύματος.0 Αυτή είναι μια χρήσιμη ιδιότητα, καθώς τα καλώδια για τη μεταφορά ρεύματος είναι ένα άλλο βασικό δομικό στοιχείο κάθε ηλεκτρικού συστήματος. Οι νανοσωλήνες άνθρακα έχουν συγκεκριμένα βρει τόσο μεγάλη χρήση στα NEMS που έχουν ήδη ανακαλυφθεί μέθοδοι για τη σύνδεση αιωρούμενων νανοσωλήνων άνθρακα με άλλες νανοδομές. Αυτό επιτρέπει στους νανοσωλήνες άνθρακα να σχηματίζουν περίπλοκα νανοηλεκτρικά συστήματα. Επειδή τα προϊόντα με βάση τον άνθρακα μπορούν να ελεγχθούν κατάλληλα και να λειτουργήσουν ως διασυνδέσεις καθώς και ως τρανζίστορ, χρησιμεύουν ως θεμελιώδες υλικό στα ηλεκτρικά εξαρτήματα των NEMS.

= Διακόπτες NEMS με βάση τους CNT 

Ένα σημαντικό μειονέκτημα των διακοπτών MEMS έναντι των διακοπτών NEMS είναι οι περιορισμένες ταχύτητες μεταγωγής των MEMS στην περιοχή των μικροδευτερολέπτων, γεγονός που εμποδίζει την απόδοση για εφαρμογές υψηλών ταχυτήτων. Οι περιορισμοί στην ταχύτητα μεταγωγής και στην τάση ενεργοποίησης μπορούν να ξεπεραστούν με την κλιμάκωση των διατάξεων από την κλίμακα των μικρομέτρων στην κλίμακα των νανομέτρων. Μια σύγκριση των παραμέτρων απόδοσης μεταξύ των διακοπτών NEMS με βάση νανοσωλήνες άνθρακα (CNT) και των αντίστοιχων CMOS αποκάλυψε ότι οι διακόπτες NEMS με βάση CNT διατήρησαν τις επιδόσεις τους σε χαμηλότερα επίπεδα κατανάλωσης ενέργειας και είχαν ρεύμα διαρροής κάτω από το κατώφλι αρκετές τάξεις μεγέθους μικρότερο από αυτό των διακοπτών CMOS.0 NEMS με βάση CNT με δομές διπλής σύσφιξης μελετώνται περαιτέρω ως πιθανές λύσεις για εφαρμογές μη πτητικής μνήμης με κυμαινόμενη πύλη.

Δυσκολίες 

Παρά όλες τις χρήσιμες ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα και του γραφενίου για την τεχνολογία NEMS, και τα δύο αυτά προϊόντα αντιμετωπίζουν αρκετά εμπόδια στην εφαρμογή τους. Ένα από τα κύρια προβλήματα είναι η απόκριση του άνθρακα σε περιβάλλοντα πραγματικής ζωής. Οι νανοσωλήνες άνθρακα παρουσιάζουν μεγάλη αλλαγή στις ηλεκτρονικές ιδιότητες όταν εκτίθενται σε οξυγόνο. Ομοίως, άλλες αλλαγές στις ηλεκτρονικές και μηχανικές ιδιότητες των υλικών με βάση τον άνθρακα πρέπει να διερευνηθούν πλήρως πριν από την εφαρμογή τους, ιδίως λόγω της μεγάλης επιφάνειάς τους, η οποία μπορεί εύκολα να αντιδράσει με το περιβάλλον. Διαπιστώθηκε επίσης ότι οι νανοσωλήνες άνθρακα έχουν διαφορετικές αγωγιμότητες, όντας είτε μεταλλικοί είτε ημιαγώγιμοι ανάλογα με την ελικοειδία τους κατά την επεξεργασία. Εξαιτίας αυτού, πρέπει να δοθεί ειδική μεταχείριση στους νανοσωλήνες κατά την επεξεργασία, ώστε να διασφαλιστεί ότι όλοι οι νανοσωλήνες έχουν τις κατάλληλες αγωγιμότητες. Το γραφένιο έχει επίσης περίπλοκες ιδιότητες ηλεκτρικής αγωγιμότητας σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς ημιαγωγούς, επειδή δεν διαθέτει ενεργειακό χάσμα ζώνης και ουσιαστικά αλλάζει όλους τους κανόνες για τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα σε μια συσκευή με βάση το γραφένιο. Αυτό σημαίνει ότι οι παραδοσιακές κατασκευές ηλεκτρονικών συσκευών πιθανόν να μην λειτουργήσουν και πρέπει να σχεδιαστούν εντελώς νέες αρχιτεκτονικές για αυτές τις νέες ηλεκτρονικές συσκευές.

Νανοηλεκτρομηχανικό επιταχυνσιόμετρο 

Οι μηχανικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες του γραφενίου το έχουν καταστήσει ευνοϊκό για την ενσωμάτωση σε επιταχυνσιόμετρα NEMS, όπως μικροί αισθητήρες και ενεργοποιητές για συστήματα παρακολούθησης της καρδιάς και καταγραφής της κίνησης σε κινητά. Το πάχος του γραφενίου σε ατομική κλίμακα παρέχει μια οδό για την κλιμάκωση των επιταχυνσιόμετρων από τη μικροκλίμακα στη νανοκλίμακα, διατηρώντας παράλληλα τα απαιτούμενα επίπεδα ευαισθησίας του συστήματος.

Με την ανάρτηση μιας δοκιμαστικής μάζας πυριτίου σε μια ταινία γραφενίου διπλής στρώσης, μπορεί να κατασκευαστεί ένας μετατροπέας ελατηρίου-μάζας και πιεζοαντίστασης νανοκλίμακας με τις δυνατότητες των μετατροπέων που παράγονται σήμερα στα επιταχυνσιόμετρα. Η μάζα ελατηρίου παρέχει μεγαλύτερη ακρίβεια και οι πιεζοαντιστατικές ιδιότητες του γραφενίου μετατρέπουν την τάση από την επιτάχυνση σε ηλεκτρικά σήματα για το επιταχυνσιόμετρο. Η αναρτημένη κορδέλα γραφενίου αποτελεί ταυτόχρονα το ελατήριο και τον πιεζοαντιστατικό μετατροπέα, κάνοντας αποδοτική χρήση του χώρου σε ενώ βελτιώνει την απόδοση των επιταχυνσιόμετρων NEMS.

Πολυδιμεθυλοσιλοξάνιο (PDMS) 

Οι αστοχίες που προκύπτουν από την υψηλή πρόσφυση και την τριβή προκαλούν ανησυχία για πολλά NEMS. Τα NEMS χρησιμοποιούν συχνά πυρίτιο λόγω των καλά χαρακτηρισμένων τεχνικών μικροεπεξεργασίας- ωστόσο, η εγγενής ακαμψία του συχνά εμποδίζει τη δυνατότητα συσκευών με κινούμενα μέρη.

Μια μελέτη που διεξήχθη από ερευνητές του Ohio State συνέκρινε τις παραμέτρους πρόσφυσης και τριβής ενός μονοκρυσταλλικού πυριτίου με εγγενές στρώμα οξειδίου έναντι επίστρωσης PDMS. Το PDMS είναι ένα ελαστομερές σιλικόνης που είναι εξαιρετικά μηχανικά ρυθμιζόμενο, χημικά αδρανές, θερμικά σταθερό, διαπερατό στα αέρια, διαφανές, μη φθορίζον, βιοσυμβατό και μη τοξικό. Το εγγενές στα πολυμερή, το μέτρο ελαστικότητας Young του PDMS μπορεί να μεταβάλλεται πάνω από δύο τάξεις μεγέθους χειραγωγώντας την έκταση της διασύνδεσης των πολυμερικών αλυσίδων, καθιστώντας το ένα βιώσιμο υλικό σε NEMS και βιολογικές εφαρμογές. Το PDMS μπορεί να σχηματίσει μια στεγανή σφραγίδα με το πυρίτιο και έτσι να ενσωματωθεί εύκολα στην τεχνολογία NEMS, βελτιστοποιώντας τόσο τις μηχανικές όσο και τις ηλεκτρικές ιδιότητες. Πολυμερή όπως το PDMS αρχίζουν να κερδίζουν την προσοχή στα NEMS λόγω της συγκριτικά φθηνής, απλουστευμένης και αποδοτικής ως προς το χρόνο κατασκευής πρωτοτύπων και κατασκευής τους.

Ο χρόνος ηρεμίας έχει χαρακτηριστεί ότι συσχετίζεται άμεσα με τη δύναμη πρόσφυσης και η αυξημένη σχετική υγρασία οδηγεί σε αύξηση των δυνάμεων πρόσφυσης για τα υδρόφιλα πολυμερή. Οι μετρήσεις γωνίας επαφής και οι υπολογισμοί δυνάμεων Laplace υποστηρίζουν τον χαρακτηρισμό της υδρόφοβης φύσης του PDMS, η οποία αναμενόμενα αντιστοιχεί με την πειραματικά επαληθευμένη ανεξαρτησία του από τη σχετική υγρασία. Οι δυνάμεις πρόσφυσης του PDMS είναι επίσης ανεξάρτητες από το χρόνο ηρεμίας, ικανές να αποδίδουν ευέλικτα υπό ποικίλες συνθήκες σχετικής υγρασίας και διαθέτουν χαμηλότερο συντελεστή τριβής από αυτόν του πυριτίου. Οι επικαλύψεις PDMS διευκολύνουν τον μετριασμό των προβλημάτων υψηλής ταχύτητας, όπως η αποτροπή της ολίσθησης. Έτσι, η τριβή στις επιφάνειες επαφής παραμένει χαμηλή ακόμη και σε σημαντικά υψηλές ταχύτητες. Στην πραγματικότητα, στη μικροκλίμακα, η τριβή μειώνεται με την αύξηση της ταχύτητας. Η υδροφοβικότητα και ο χαμηλός συντελεστής τριβής του PDMS δημιούργησαν τη δυνατότητα περαιτέρω ενσωμάτωσής του σε πειράματα NEMS που διεξάγονται σε ποικίλες σχετικές υγρασίες και υψηλές σχετικές ταχύτητες ολίσθησης.

Διάφραγμα πιεζοαντίσταση νανοηλεκτρομηχανικών συστημάτων με επικάλυψη PDMS

Το PDMS χρησιμοποιείται συχνά στο πλαίσιο της τεχνολογίας NEMS. Για παράδειγμα, η επικάλυψη PDMS σε ένα διάφραγμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση ατμών χλωροφορμίου.

Ερευνητές από το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης επινόησαν ένα διάφραγμα νανοηλεκτρομηχανικού συστήματος με επικάλυψη πολυδιμεθυλοσιλοξάνης (PDMS) ενσωματωμένο με νανοκαλώδια πυριτίου (SiNWs) για την ανίχνευση ατμών χλωροφορμίου σε θερμοκρασία δωματίου. Παρουσία ατμών χλωροφορμίου, η μεμβράνη PDMS στο μικροδιάφραγμα απορροφά μόρια ατμού και κατά συνέπεια διευρύνεται, οδηγώντας σε παραμόρφωση του μικροδιαφράγματος. Τα SiNWs που εμφυτεύονται εντός του μικροδιαφράγματος συνδέονται σε μια γέφυρα Wheatstone, η οποία μεταφράζει την παραμόρφωση σε ποσοτική τάση εξόδου. Επιπλέον, ο αισθητήρας μικροδιαφράγματος επιδεικνύει επίσης επεξεργασία χαμηλού κόστους με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Διαθέτει μεγάλες δυνατότητες για επεκτασιμότητα, εξαιρετικά συμπαγές αποτύπωμα και συμβατότητα διεργασιών CMOS-IC. Με την εναλλαγή του στρώματος πολυμερούς απορρόφησης ατμών, μπορούν να εφαρμοστούν παρόμοιες μέθοδοι που θεωρητικά θα πρέπει να είναι σε θέση να ανιχνεύουν και άλλους οργανικούς ατμούς.

Εκτός από τις εγγενείς ιδιότητές του που συζητήθηκαν στην ενότητα Υλικά, το PDMS μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απορρόφηση χλωροφορμίου, τα αποτελέσματα του οποίου συνδέονται συνήθως με διόγκωση και παραμόρφωση του μικροδιαφράγματος- στην παρούσα μελέτη μετρήθηκαν επίσης διάφοροι οργανικοί ατμοί. Με καλή σταθερότητα γήρανσης και κατάλληλη συσκευασία, ο ρυθμός υποβάθμισης του PDMS σε απόκριση στη θερμότητα, το φως και την ακτινοβολία μπορεί να επιβραδυνθεί. 0

Biohybrid NEMS 

Ο αναδυόμενος τομέας των βιο-υβριδικών συστημάτων συνδυάζει βιολογικά και συνθετικά δομικά στοιχεία για βιοϊατρικές ή ρομποτικές εφαρμογές. Τα συστατικά στοιχεία των βιο-νανοηλεκτρομηχανικών συστημάτων (BioNEMS) είναι νανοκλίμακας, για παράδειγμα DNA, πρωτεΐνες ή νανοδομημένα μηχανικά μέρη. Παραδείγματα περιλαμβάνουν την εύκολη νανοδομή από πάνω προς τα κάτω των πολυμερών θειόλης-ενίου για τη δημιουργία διασυνδεδεμένων και μηχανικά ανθεκτικών νανοδομών που στη συνέχεια λειτουργικοποιούνται με πρωτεΐνες.

Προσομοιώσεις 

Οι προσομοιώσεις στον υπολογιστή αποτελούν εδώ και πολύ καιρό σημαντικά αντίγραφα των πειραματικών μελετών των διατάξεων NEMS. Μέσω της μηχανικής συνέχειας και της μοριακής δυναμικής (MD), σημαντικές συμπεριφορές των συσκευών NEMS μπορούν να προβλεφθούν μέσω υπολογιστικής μοντελοποίησης πριν από την εμπλοκή σε πειράματα. Επιπλέον, ο συνδυασμός τεχνικών συνεχούς και MD επιτρέπει στους μηχανικούς να αναλύουν αποτελεσματικά τη σταθερότητα των συσκευών NEMS χωρίς να καταφεύγουν σε εξαιρετικά λεπτά πλέγματα και χρονοβόρες προσομοιώσεις. Οι προσομοιώσεις έχουν και άλλα πλεονεκτήματα: δεν απαιτούν το χρόνο και την τεχνογνωσία που σχετίζονται με την κατασκευή συσκευών NEMS- μπορούν να προβλέψουν αποτελεσματικά τους αλληλένδετους ρόλους των διαφόρων ηλεκτρομηχανικών επιδράσεων- και οι παραμετρικές μελέτες μπορούν να διεξαχθούν αρκετά εύκολα σε σύγκριση με τις πειραματικές προσεγγίσεις. Για παράδειγμα, υπολογιστικές μελέτες έχουν προβλέψει τις κατανομές φορτίου και τις ηλεκτρομηχανικές αποκρίσεις "έλξης" των διατάξεων NEMS. Η χρήση προσομοιώσεων για την πρόβλεψη της μηχανικής και ηλεκτρικής συμπεριφοράς αυτών των διατάξεων μπορεί να βοηθήσει στη βελτιστοποίηση των παραμέτρων σχεδιασμού των διατάξεων NEMS.

Αξιοπιστία και κύκλος ζωής των NEMS

Αξιοπιστία και προκλήσεις 

Η αξιοπιστία παρέχει ένα ποσοτικό μέτρο της ακεραιότητας και της απόδοσης του εξαρτήματος χωρίς αποτυχία για μια καθορισμένη διάρκεια ζωής του προϊόντος. Η αστοχία των συσκευών NEMS μπορεί να αποδοθεί σε διάφορες πηγές, όπως μηχανικοί, ηλεκτρικοί, χημικοί και θερμικοί παράγοντες. Ο προσδιορισμός των μηχανισμών αστοχίας, η βελτίωση της απόδοσης, η έλλειψη πληροφοριών και τα ζητήματα αναπαραγωγιμότητας έχουν αναγνωριστεί ως μείζονες προκλήσεις για την επίτευξη υψηλότερων επιπέδων αξιοπιστίας για τις διατάξεις NEMS. Τέτοιες προκλήσεις προκύπτουν τόσο κατά τα στάδια κατασκευής (π.χ. επεξεργασία πλακιδίων, συσκευασία, τελική συναρμολόγηση) όσο και κατά τα στάδια μετά την κατασκευή (π.χ. μεταφορά, εφοδιαστική, χρήση).

Συσκευασία 
                             
Οι προκλήσεις της συσκευασίας συχνά αντιπροσωπεύουν το 75-95% του συνολικού κόστους των MEMS και NEMS. Παράγοντες όπως ο τεμαχισμός των πλακιδίων, το πάχος της διάταξης, η ακολουθία της τελικής απελευθέρωσης, η θερμική διαστολή, η απομόνωση των μηχανικών καταπονήσεων, η απαγωγή ισχύος και θερμότητας, η ελαχιστοποίηση του ερπυσμού, η απομόνωση των μέσων και οι προστατευτικές επιστρώσεις λαμβάνονται υπόψη από το σχεδιασμό της συσκευασίας για να ευθυγραμμιστούν με το σχεδιασμό του στοιχείου MEMS ή NEMS.0 Η ανάλυση αποκόλλησης, η ανάλυση κίνησης και οι δοκιμές διάρκειας ζωής έχουν χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση τεχνικών ενθυλάκωσης σε επίπεδο πλακιδίου, όπως η ενθυλάκωση με καπάκι στο πλακίδιο, πλακίδιο στο πλακίδιο και η ενθυλάκωση με λεπτό υμένιο. Οι τεχνικές ενθυλάκωσης σε επίπεδο πλακιδίου μπορούν να οδηγήσουν σε βελτιωμένη αξιοπιστία και αυξημένη απόδοση τόσο για μικρο- όσο και για νανοσυσκευές.

Manufacturing 

Η αξιολόγηση της αξιοπιστίας των NEMS στα αρχικά στάδια της διαδικασίας κατασκευής είναι απαραίτητη για τη βελτίωση της απόδοσης. Οι μορφές των επιφανειακών δυνάμεων, όπως η πρόσφυση και οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις, εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την τοπογραφία της επιφάνειας και τη γεωμετρία της επαφής. Η επιλεκτική κατασκευή επιφανειών με νανο-υφή μειώνει την επιφάνεια επαφής, βελτιώνοντας την απόδοση τόσο της πρόσφυσης όσο και της τριβής για τα NEMS. Επιπλέον, η εφαρμογή νανοπολτών σε κατασκευασμένες επιφάνειες αυξάνει την υδροφοβικότητα, οδηγώντας σε μείωση τόσο της πρόσφυσης όσο και της τριβής.

Η προσκόλληση και η τριβή μπορούν επίσης να χειραγωγηθούν με τη νανοδιαμόρφωση για να ρυθμιστεί η τραχύτητα της επιφάνειας για τις κατάλληλες εφαρμογές της συσκευής NEMS. Ερευνητές από το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Οχάιο χρησιμοποίησαν μικροσκοπία δύναμης ατομικής/τριβής (AFM/FFM) για να εξετάσουν τις επιδράσεις της νανοδιαμόρφωσης στην υδροφοβικότητα, την πρόσφυση και την τριβή για υδρόφιλα πολυμερή με δύο τύπους διαμορφωμένων ακροτήτων (χαμηλού λόγου διαστάσεων και υψηλού λόγου διαστάσεων). Η τραχύτητα στις υδρόφιλες επιφάνειες έναντι των υδρόφοβων επιφανειών βρέθηκε να έχει αντίστροφα συσχετισμένες και άμεσα συσχετισμένες σχέσεις αντίστοιχα.

Λόγω του μεγάλου λόγου επιφάνειας προς όγκο και της ευαισθησίας, η πρόσφυση και η τριβή μπορούν να εμποδίσουν την απόδοση και την αξιοπιστία των συσκευών NEMS. Αυτά τα τριβολογικά ζητήματα προκύπτουν από τη φυσική μείωση της κλίμακας αυτών των εργαλείων- ωστόσο, το σύστημα μπορεί να βελτιστοποιηθεί μέσω του χειρισμού του δομικού υλικού, των επιφανειακών φιλμ και του λιπαντικού. Σε σύγκριση με τα μη ντοπαρισμένα υμένια Si ή πολυπυριτίου, τα υμένια SiC διαθέτουν τη χαμηλότερη απόδοση τριβής, με αποτέλεσμα αυξημένη αντίσταση στις γρατζουνιές και βελτιωμένη λειτουργικότητα σε υψηλές θερμοκρασίες. Οι σκληρές επικαλύψεις άνθρακα τύπου διαμαντιού (DLC) παρουσιάζουν χαμηλή τριβή, υψηλή σκληρότητα και αντοχή στη φθορά, εκτός από χημικές και ηλεκτρικές αντοχές. Η τραχύτητα, ένας παράγοντας που μειώνει τη διαβροχή και αυξάνει την υδροφοβικότητα, μπορεί να βελτιστοποιηθεί με την αύξηση της γωνίας επαφής για να μειωθεί η διαβροχή και να επιτραπεί η χαμηλή πρόσφυση και αλληλεπίδραση της συσκευής με το περιβάλλον της.

Οι ιδιότητες του υλικού εξαρτώνται από το μέγεθος. Ως εκ τούτου, η ανάλυση των μοναδικών χαρακτηριστικών στα υλικά NEMS και σε νανοκλίμακα γίνεται όλο και πιο σημαντική για τη διατήρηση της αξιοπιστίας και της μακροπρόθεσμης σταθερότητας των συσκευών NEMS. Ορισμένες μηχανικές ιδιότητες, όπως η σκληρότητα, το μέτρο ελαστικότητας και οι δοκιμές κάμψης, για τα νανο-υλικά προσδιορίζονται με τη χρήση ενός νανο-ενδείκτη σε ένα υλικό που έχει υποστεί διαδικασίες κατασκευής. Αυτές οι μετρήσεις, ωστόσο, δεν εξετάζουν τον τρόπο με τον οποίο η συσκευή θα λειτουργεί στη βιομηχανία υπό παρατεταμένες ή κυκλικές τάσεις και παραμορφώσεις. Η δομή θήτα είναι ένα μοντέλο NEMS που παρουσιάζει μοναδικές μηχανικές ιδιότητες. Αποτελούμενη από Si, η δομή έχει υψηλή αντοχή και είναι σε θέση να συγκεντρώνει τάσεις στη νανοκλίμακα για τη μέτρηση ορισμένων μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών.

Παραμένουσες τάσεις 

Για την αύξηση της αξιοπιστίας της δομικής ακεραιότητας, ο χαρακτηρισμός τόσο της δομής του υλικού όσο και των εγγενών τάσεων σε κατάλληλες κλίμακες μήκους καθίσταται όλο και πιο σημαντικός. Οι επιπτώσεις των παραμενουσών τάσεων περιλαμβάνουν, μεταξύ άλλων, θραύση, παραμόρφωση, αποκόλληση και δομικές αλλαγές σε νανοκλίμακα, οι οποίες μπορούν να οδηγήσουν σε αποτυχία λειτουργίας και φυσική φθορά της συσκευής.

Οι παραμένουσες τάσεις μπορούν να επηρεάσουν τις ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, σε διάφορες εφαρμογές φωτοβολταϊκών και διόδων εκπομπής φωτός (LED), η ενέργεια του χάσματος ζώνης των ημιαγωγών μπορεί να συντονιστεί ανάλογα με τις επιδράσεις των υπολειμματικών τάσεων.0

Η μικροσκοπία ατομικής δύναμης (AFM) και η φασματοσκοπία Raman μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον χαρακτηρισμό της κατανομής των υπολειμματικών τάσεων σε λεπτά υμένια όσον αφορά την απεικόνιση του όγκου δύναμης, την τοπογραφία και τις καμπύλες δύναμης. Επιπλέον, οι παραμένουσες τάσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση της θερμοκρασίας τήξης των νανοδομών με τη χρήση της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC) και της εξαρτώμενης από τη θερμοκρασία περίθλασης ακτίνων Χ (XRD).0

Μέλλον 

Τα βασικά εμπόδια που εμποδίζουν επί του παρόντος την εμπορική εφαρμογή πολλών διατάξεων NEMS περιλαμβάνουν χαμηλές αποδόσεις και υψηλή μεταβλητότητα της ποιότητας των διατάξεων. Πριν από την πραγματική εφαρμογή συσκευών NEMS, πρέπει να δημιουργηθούν λογικές ενσωματώσεις προϊόντων με βάση τον άνθρακα. Ένα πρόσφατο βήμα προς αυτή την κατεύθυνση έχει καταδειχθεί για το διαμάντι, επιτυγχάνοντας επίπεδο επεξεργασίας συγκρίσιμο με αυτό του πυριτίου. Η εστίαση μετατοπίζεται επί του παρόντος από τις πειραματικές εργασίες προς τις πρακτικές εφαρμογές και τις δομές διατάξεων που θα εφαρμόσουν και θα επωφεληθούν από αυτές τις νέες διατάξεις. Η επόμενη πρόκληση που πρέπει να ξεπεραστεί περιλαμβάνει την κατανόηση όλων των ιδιοτήτων αυτών των εργαλείων με βάση τον άνθρακα και τη χρήση των ιδιοτήτων αυτών για την κατασκευή αποδοτικών και ανθεκτικών NEMS με χαμηλά ποσοστά αστοχίας.

Τα υλικά με βάση τον άνθρακα έχουν χρησιμεύσει ως πρωταρχικά υλικά για τη χρήση NEMS, λόγω των εξαιρετικών μηχανικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων τους.

Πρόσφατα, τα νανοκαλώδια από γυαλιά χαλκογονιδίων αποδείχθηκαν ότι αποτελούν βασική πλατφόρμα για τον σχεδιασμό ρυθμιζόμενων NEMS λόγω της διαθεσιμότητας ενεργής διαμόρφωσης του μέτρου ελαστικότητας Young.

Η παγκόσμια αγορά των NEMS αναμένεται να φθάσει τα 108,88 εκατομμύρια δολάρια μέχρι το 2022.

Εφαρμογές 

Νανοηλεκτρομηχανικός ηλεκτρονόμος

Φασματογράφος μάζας νανοηλεκτρομηχανικών συστημάτων

Νανοηλεκτρομηχανικά συστήματα με βάση τα ακροβατικά συστήματα

Ερευνητές από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας ανέπτυξαν ένα ακρόβαθρο βασισμένο σε NEM με μηχανικούς συντονισμούς μέχρι πολύ υψηλές συχνότητες (VHF). Η ενσωμάτωση ηλεκτρονικών μετατροπέων μετατόπισης που βασίζονται σε πιεζοαντίσταση λεπτών 
μεταλλικού φιλμ διευκολύνει την αναμφισβήτητη και αποτελεσματική ανάγνωση νανοσυσκευών. Η λειτουργικοποίηση της επιφάνειας της διάταξης με τη χρήση λεπτού πολυμερούς επίστρωσης με υψηλό συντελεστή κατανομής για τα στοχευόμενα είδη επιτρέπει στους ακροδέκτες που βασίζονται σε NEMS να παρέχουν μετρήσεις χημειορόφησης σε θερμοκρασία δωματίου με ανάλυση μάζας σε λιγότερο από ένα αττόγραμμα. Περαιτέρω δυνατότητες των καντηλιών με βάση το NEMS έχουν αξιοποιηθεί για εφαρμογές αισθητήρων, ανιχνευτών σάρωσης και διατάξεων που λειτουργούν σε πολύ υψηλή συχνότητα (100 MHz).

Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι
 Minatec
 Site sur les nanosystèmes étudiés à l’IMEP, Grenoble  
 Nanoquebec 
  Site de NanoHive@Home.

Νανοτεχνολογία
Συσκευές εργαστηρίου
Αναδυόμενες τεχνολογίες