سامانه نانو الکترومکانیکی

سامانه‌های نانوالکترومکانیکی (NEMS) دسته‌ای از ادوات هستند که عملکرد الکتریکی و مکانیکی را در نانومقیاس یکپارچه می‌کنند. NEMS گام منطقی بعدی در کوچک‌سازی پس از به اصطلاح سامانه‌های میکروالکترومکانیکی یا دستگاه‌های MEMS هستند. NEMS معمولاً نانوالکترونیک‌های ترانزیستور-مانند را با عملگرهای مکانیکی، پمپ‌ها یا موتورها یکپارچه می‌کنند و بدین ترتیب می‌توانند حسگرهای فیزیکی، بیولوژیکی و شیمیایی را تشکیل دهند. نام این سامانه‌ها از ابعاد معمول دستگاه‌ها در محدوده نانومتر گرفته شده است که منجر به جرم کم، فرکانس‌های تشدید مکانیکی بالا، اثرات بالقوه بزرگ مکانیک کوانتومی مانند حرکت نقطه صفر و نسبت سطح به حجم بالا می‌شود که برای مکانیزم‌های سنجش مبتنی بر سطح مفید است. کاربردها شامل شتاب‌سنج‌ها و حسگرهایی برای تشخیص مواد شیمیایی در هوا است.

 تاریخچه 
 پیش‌زمینه 

همان‌طور که ریچارد فاینمن در سخنرانی مشهور خود در سال ۱۹۵۹ با عنوان «آن پایین فضای بسیاری هست» اشاره کرد، کاربردهای بالقوه بسیاری برای ماشین‌ها در اندازه‌های کوچک و کوچک‌تر وجود دارد؛ با ساخت و کنترل دستگاه‌ها در مقیاس‌های کوچک‌تر، تمام فناوری‌ها سود می‌برند. مزایای مورد انتظار شامل بازدهی بیشتر و اندازه کاهش‌یافته، مصرف توان کمتر و هزینه‌های تولید پایین‌تر در سامانه‌های الکترومکانیکی است.

اولین ترانزیستورهای اثر میدانی با اکسید سیلیسیم در سال ۱۹۵۷ توسط فروش و دریک در آزمایشگاه‌های بل ساخته شدند. در سال ۱۹۶۰، محمد عطاالله و داوون کانگ در آزمایشگاه‌های بل یک ماسفت با ضخامت اکسید گیت ۱۰۰ نانومتر ساختند. در سال ۱۹۶۲، عطاالله و کانگ یک ترانزیستور با اتصال فلز-نیم‌رسانای مبتنی بر نانولایه ساختند که از فیلم‌های نازک طلا (Au) با ضخامت ۱۰ نانومتر استفاده می‌کرد. در سال ۱۹۸۷، بیژن داوری رهبری یک تیم تحقیقاتی در آی‌بی‌ام را بر عهده داشت که اولین ماسفت با ضخامت اکسید ۱۰ نانومتر را به نمایش گذاشت. ماسفت‌های چند-گیتی امکان مقیاس‌پذیری زیر طول کانال ۲۰ نانومتر را فراهم کردند که با فین‌فت آغاز شد. منشأ فین‌فت به تحقیقات دیگ هیساموتو در آزمایشگاه تحقیقات مرکزی هیتاچی در سال ۱۹۸۹ بازمی‌گردد. در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، گروهی به رهبری هیساموتو و چنمینگ هو از تی‌اس‌ام‌سی، در سال ۱۹۹۸ دستگاه‌های فین‌فت با طول کانال تا ۱۷نانومتر ساختند.

 NEMS 
در سال ۲۰۰۰، اولین دستگاه NEMS با یکپارچه‌سازی در مقیاس بسیار بزرگ (VLSI) توسط پژوهشگران در آی‌بی‌ام به نمایش گذاشته شد. اساس کار آن آرایه‌ای از نوک‌های AFM بود که می‌توانست یک زیرلایه تغییرشکل‌پذیر را گرم/حس کند تا به عنوان یک دستگاه حافظه (حافظه هزارپا) عمل کند. دستگاه‌های دیگری توسط استفان دی هان توصیف شده‌اند. در سال ۲۰۰۷، نقشه راه فنی بین‌المللی برای نیم‌رساناها (ITRS)ITRS Home . Itrs.net. Retrieved on 2012-11-24. حافظه NEMS را به عنوان یک ورودی جدید برای بخش دستگاه‌های تحقیقاتی نوظهور اضافه کرد.

 میکروسکوپ نیروی اتمی 
یک کاربرد کلیدی NEMS، نوک‌های میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) است. حساسیت افزایش‌یافته‌ای که توسط NEMS به دست می‌آید، منجر به حسگرهای کوچک‌تر و کارآمدتر برای تشخیص تنش‌ها، ارتعاشات، نیروها در سطح اتمی و سیگنال‌های شیمیایی می‌شود. نوک‌های AFM و سایر روش‌های تشخیص در نانومقیاس به شدت به NEMS متکی هستند.

 رویکردهای کوچک‌سازی 
دو رویکرد مکمل برای ساخت NEMS وجود دارد: رویکرد بالا-به-پایین و رویکرد پایین-به-بالا.

رویکرد بالا-به-پایین از روش‌های سنتی ریزساخت، یعنی لیتوگرافی نوری، لیتوگرافی با باریکه الکترونی و عملیات حرارتی، برای تولید دستگاه‌ها استفاده می‌کند. در حالی که این روش با وضوح این تکنیک‌ها محدود می‌شود، اما امکان کنترل بالایی بر ساختارهای حاصل را فراهم می‌کند. به این ترتیب، دستگاه‌هایی مانند نانوسیم‌ها، نانومیله‌ها و نانوساختارهای الگودار از فیلم‌های نازک فلزی یا لایه‌های نیم‌رسانای حکاکی‌شده ساخته می‌شوند. در رویکردهای بالا-به-پایین، افزایش نسبت سطح به حجم، واکنش‌پذیری نانومواد را افزایش می‌دهد.

رویکردهای پایین-به-بالا، در مقابل، از خواص شیمیایی تک‌مولکول‌ها برای واداشتن اجزای تک‌مولکولی به خودسازمان‌دهی یا خودآرایی در یک ساختار مفید استفاده می‌کنند، یا به مونتاژ موضعی تکیه دارند. این رویکردها از مفاهیم خودآرایی مولکولی و/یا شناسایی مولکولی بهره می‌برند. این امر امکان ساخت ساختارهای بسیار کوچک‌تر را فراهم می‌کند، هرچند اغلب به قیمت کنترل محدود بر فرایند ساخت تمام می‌شود. علاوه بر این، در حالی که در رویکرد بالا-به-پایین مواد باقیمانده از ساختار اصلی حذف می‌شوند، در رویکرد پایین-به-بالا حداقل مواد حذف یا هدر می‌رود.

ترکیبی از این رویکردها نیز ممکن است مورد استفاده قرار گیرد که در آن مولکول‌های نانومقیاس در یک چارچوب بالا-به-پایین یکپارچه می‌شوند. یک نمونه از این موارد، نانوموتور نانولوله کربنی است.

 مواد 
 دگرشکل‌های کربن 
بسیاری از مواد رایج مورد استفاده در فناوری NEMS مبتنی بر کربن بوده‌اند، به‌ویژه الماس، نانولوله کربنی‌ها و گرافین. این موضوع عمدتاً به دلیل خواص مفید مواد مبتنی بر کربن است که مستقیماً نیازهای NEMS را برآورده می‌کنند. خواص مکانیکی کربن (مانند مدول یانگ بالا) برای پایداری NEMS اساسی است، در حالی که رسانایی فلزی و نیم‌رسانای مواد مبتنی بر کربن به آن‌ها اجازه می‌دهد تا به عنوان ترانزیستور عمل کنند.

هم گرافین و هم الماس مدول یانگ بالا، چگالی کم، اصطکاک پایین، اتلاف مکانیکی بسیار کم، و مساحت سطح بالایی از خود نشان می‌دهند. اصطکاک کم نانولوله‌های کربنی (CNT)، امکان ساخت یاتاقان‌های تقریباً بدون اصطکاک را فراهم می‌کند و از این رو انگیزه بزرگی برای کاربردهای عملی CNTها به عنوان عناصر تشکیل‌دهنده در NEMS، مانند نانوموتورها، سوئیچ‌ها و نوسان‌سازهای فرکانس بالا بوده است. استحکام فیزیکی نانولوله‌های کربنی و گرافین به مواد مبتنی بر کربن اجازه می‌دهد تا در برابر تنش‌های بالاتر مقاومت کنند، جایی که مواد معمولی معمولاً از کار می‌افتند و بنابراین استفاده از آن‌ها به عنوان مواد اصلی در توسعه فناوری NEMS را بیشتر توجیه می‌کند.

علاوه بر مزایای مکانیکی مواد مبتنی بر کربن، خواص الکتریکی نانولوله‌های کربنی و گرافین امکان استفاده از آن‌ها را در بسیاری از اجزای الکتریکی NEMS فراهم می‌کند. نانوترانزیستورها هم برای نانولوله‌های کربنی و هم برای گرافین توسعه یافته‌اند. ترانزیستورها یکی از بلوک‌های سازنده اساسی برای تمام دستگاه‌های الکترونیکی هستند، بنابراین با توسعه مؤثر ترانزیستورهای قابل استفاده، نانولوله‌های کربنی و گرافین هر دو برای NEMS بسیار حیاتی هستند.

تشدیدگرهای نانومکانیکی اغلب از گرافین ساخته می‌شوند. با کوچک شدن اندازه تشدیدگرهای NEMS، یک روند کلی برای کاهش ضریب کیفیت به نسبت معکوس با نسبت سطح به حجم وجود دارد. با این حال، علی‌رغم این چالش، به صورت تجربی ثابت شده است که می‌توان به ضریب کیفیتی به اندازه ۲۴۰۰ دست یافت. ضریب کیفیت، خلوص تون ارتعاشات تشدیدگر را توصیف می‌کند. علاوه بر این، به صورت نظری پیش‌بینی شده است که مهار کردن غشاهای گرافین از همه طرف باعث افزایش ضریب کیفیت می‌شود. NEMSهای گرافینی همچنین می‌توانند به عنوان حسگرهای جرم، نیرو، و موقعیت عمل کنند.

 نانولوله‌های کربنی فلزی 
بندانگشتی|ساختارهای باند محاسبه‌شده با استفاده از تقریب پیوند محکم برای نانولوله کربنی (۶٬۰) (زیگزاگ، فلزی)، نانولوله کربنی (۱۰٬۲) (نیم‌رسانا) و نانولوله کربنی (۱۰٬۱۰) (آرمچیر، فلزی)

نانولوله کربنی‌ها (CNT) دگرشکل‌هایی از کربن با یک نانوساختار استوانه‌ای هستند. می‌توان آن‌ها را به عنوان یک صفحه گرافین لوله‌شده در نظر گرفت. هنگامی که در زوایای خاص و گسسته ("کایرال") لوله می‌شوند، ترکیب زاویه لوله‌شدن و شعاع، تعیین می‌کند که آیا نانولوله دارای شکاف باند (نیم‌رسانا) است یا شکاف باند ندارد (فلزی).

فلزی بودن نانولوله‌های کربنی باعث شده تا برای استفاده به عنوان اتصالات داخلی نانوالکترونیکی پیشنهاد شوند، زیرا می‌توانند چگالی جریان بالایی را حمل کنند. این یک خاصیت مفید است زیرا سیم‌ها برای انتقال جریان، یکی دیگر از بلوک‌های سازنده اساسی هر سیستم الکتریکی هستند. نانولوله‌های کربنی به‌طور خاص کاربرد بسیار زیادی در NEMS پیدا کرده‌اند، به طوری که روش‌هایی برای اتصال نانولوله‌های کربنی معلق به سایر نانوساختارها کشف شده است. این امر به نانولوله‌های کربنی اجازه می‌دهد تا سیستم‌های نانوالکتریکی پیچیده‌ای را تشکیل دهند. از آنجایی که محصولات مبتنی بر کربن می‌توانند به درستی کنترل شوند و به عنوان اتصالات داخلی و همچنین ترانزیستور عمل کنند، به عنوان یک ماده اساسی در اجزای الکتریکی NEMS عمل می‌کنند.

 سوئیچ‌های NEMS مبتنی بر CNT 
یکی از معایب عمده سوئیچ‌های MEMS نسبت به سوئیچ‌های NEMS، سرعت سوئیچینگ محدود در محدوده میکروثانیه در MEMS است که عملکرد را برای کاربردهای با سرعت بالا مختل می‌کند. محدودیت‌های سرعت سوئیچینگ و ولتاژ تحریک را می‌توان با کوچک‌سازی دستگاه‌ها از مقیاس میکرو به نانو برطرف کرد. مقایسه پارامترهای عملکرد بین سوئیچ‌های NEMS مبتنی بر نانولوله کربنی (CNT) با همتای CMOS آن نشان داد که سوئیچ‌های NEMS مبتنی بر CNT عملکرد خود را در سطوح پایین‌تر مصرف انرژی حفظ کرده و جریان نشتی زیرآستانه‌ای چندین مرتبه کوچک‌تر از سوئیچ‌های CMOS دارند. NEMSهای مبتنی بر CNT با ساختارهای دو سر مهارشده به عنوان راه‌حل‌های بالقوه برای کاربردهای حافظه غیرفرار گیت شناور بیشتر مورد مطالعه قرار می‌گیرند.

 مشکلات 
با وجود تمام خواص مفید نانولوله‌های کربنی و گرافین برای فناوری NEMS، هر دوی این محصولات با موانعی برای پیاده‌سازی خود مواجه هستند. یکی از مشکلات اصلی، واکنش کربن به محیط‌های واقعی است. نانولوله‌های کربنی هنگام قرار گرفتن در معرض اکسیژن، تغییر بزرگی در خواص الکترونیکی خود نشان می‌دهند. به‌طور مشابه، سایر تغییرات در ویژگی‌های الکترونیکی و مکانیکی مواد مبتنی بر کربن باید قبل از پیاده‌سازی آن‌ها به‌طور کامل بررسی شود، به ویژه به دلیل سطح بالای آن‌ها که می‌تواند به راحتی با محیط‌های اطراف واکنش نشان دهد. همچنین مشخص شده است که نانولوله‌های کربنی بسته به کایرالیته خود در هنگام پردازش، رسانایی‌های متفاوتی دارند یا فلزی یا نیم‌رسانا هستند. به همین دلیل، باید در طول پردازش، برخورد ویژه‌ای با نانولوله‌ها صورت گیرد تا اطمینان حاصل شود که تمام نانولوله‌ها رسانایی مناسبی دارند. گرافین نیز در مقایسه با نیم‌رساناهای سنتی، خواص رسانایی الکتریکی پیچیده‌ای دارد زیرا فاقد شکاف باند انرژی است و اساساً تمام قوانین مربوط به نحوه حرکت الکترون‌ها در یک دستگاه مبتنی بر گرافین را تغییر می‌دهد. این بدان معناست که ساختارهای سنتی دستگاه‌های الکترونیکی احتمالاً کار نخواهند کرد و باید معماری‌های کاملاً جدیدی برای این دستگاه‌های الکترونیکی جدید طراحی شود.

 شتاب‌سنج نانوالکترومکانیکی 
خواص مکانیکی و الکترونیکی گرافین، آن را برای ادغام در شتاب‌سنج‌های NEMS، مانند حسگرها و عملگرهای کوچک برای سیستم‌های نظارت بر قلب و ضبط حرکت سیار، مطلوب کرده است. ضخامت در مقیاس اتمی گرافین، راهی را برای کوچک‌سازی شتاب‌سنج‌ها از مقیاس میکرو به نانو فراهم می‌کند، در حالی که سطوح حساسیت مورد نیاز سیستم حفظ می‌شود.

با معلق کردن یک جرم اثباتی سیلیکونی بر روی یک نوار گرافین دو لایه، می‌توان یک سیستم فنر-جرم و یک مبدل پیزومقاومتی در مقیاس نانو ساخت که قابلیت مبدل‌های تولید شده فعلی در شتاب‌سنج‌ها را دارد. سیستم فنر-جرم دقت بیشتری را فراهم می‌کند و خواص پیزومقاومتی گرافین، کرنش ناشی از شتاب را به سیگنال‌های الکتریکی برای شتاب‌سنج تبدیل می‌کند. نوار گرافین معلق به‌طور همزمان هم فنر و هم مبدل پیزومقاومتی را تشکیل می‌دهد، که باعث استفاده بهینه از فضا و بهبود عملکرد شتاب‌سنج‌های NEMS می‌شود.

 پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان (PDMS) 
خرابی‌های ناشی از چسبندگی و اصطکاک بالا برای بسیاری از سامانه‌های نانوالکترومکانیکی (NEMS) نگران‌کننده است. NEMSها به دلیل وجود تکنیک‌های ریزماشینکاری کاملاً شناخته‌شده، اغلب از سیلیکون استفاده می‌کنند؛ با این حال، سختی ذاتی آن معمولاً قابلیت دستگاه‌هایی با قطعات متحرک را محدود می‌کند.

مطالعه‌ای که توسط پژوهشگران دانشگاه ایالتی اوهایو انجام شد، پارامترهای چسبندگی و اصطکاک یک سیلیکون تک‌بلوری با لایه اکسید بومی را با پوشش PDMS مقایسه کرد. PDMS یک الاستومر سیلیکونی است که از نظر مکانیکی بسیار قابل تنظیم، از نظر شیمیایی خنثی، پایدار در برابر حرارت، نفوذپذیر به گازها، شفاف، غیرفلورسنت، زیست‌سازگار و غیرسمی است. مدول یانگ PDMS، که ذاتی پلیمرهاست، می‌تواند با دستکاری میزان اتصالات عرضی زنجیره‌های پلیمری تا دو مرتبه بزرگی متغیر باشد، که آن را به ماده‌ای کارآمد در NEMS و کاربردهای بیولوژیکی تبدیل می‌کند. PDMS می‌تواند یک اتصال محکم با سیلیکون ایجاد کند و بنابراین به راحتی در فناوری NEMS ادغام شود و خواص مکانیکی و الکتریکی را بهینه سازد. پلیمرهایی مانند PDMS به دلیل نمونه‌سازی و ساخت نسبتاً ارزان، ساده و سریع، در حال جلب توجه در حوزه NEMS هستند.

مشخص شده است که زمان استراحت (rest time) با نیروی چسبندگی رابطه مستقیم دارد، و افزایش رطوبت نسبی منجر به افزایش نیروهای چسبندگی برای پلیمرهای آب‌دوست می‌شود. اندازه‌گیری زاویه تماس و محاسبات نیروی لاپلاس، ماهیت آب‌گریز PDMS را تأیید می‌کند، که مطابق انتظار، با استقلال آن از رطوبت نسبی که به صورت تجربی تأیید شده، مطابقت دارد. نیروهای چسبندگی PDMS همچنین مستقل از زمان استراحت هستند، قادرند به‌طور متنوعی تحت شرایط مختلف رطوبت نسبی عمل کنند و ضریب اصطکاک کمتری نسبت به سیلیکون دارند. پوشش‌های PDMS به کاهش مشکلات ناشی از سرعت بالا، مانند جلوگیری از لغزش، کمک می‌کنند؛ بنابراین، اصطکاک در سطوح تماس حتی در سرعت‌های بسیار بالا، پایین باقی می‌ماند. در واقع، در مقیاس میکرو، اصطکاک با افزایش سرعت کاهش می‌یابد. آب‌گریزی و ضریب اصطکاک پایین PDMS، پتانسیل آن را برای استفاده بیشتر در آزمایش‌های NEMS که در رطوبت‌های نسبی متغیر و سرعت‌های لغزش نسبی بالا انجام می‌شوند، افزایش داده است.

 دیافراگم نانوالکترومکانیکی پیزومقاومتی با پوشش PDMS 
PDMS به‌طور مکرر در فناوری NEMS استفاده می‌شود. به عنوان مثال، پوشش PDMS روی یک دیافراگم می‌تواند برای تشخیص بخار کلروفرم به کار رود.

پژوهشگران دانشگاه ملی سنگاپور یک دیافراگم نانوالکترومکانیکی با پوشش پلی‌دی‌متیل‌سیلوکسان (PDMS) و تعبیه شده با نانوسیم‌های سیلیکونی (SiNWs) برای تشخیص بخار کلروفرم در دمای اتاق ابداع کردند. در حضور بخار کلروفرم، فیلم PDMS روی میکرودیافراگم مولکول‌های بخار را جذب کرده و در نتیجه بزرگ می‌شود که منجر به تغییر شکل میکرودیافراگم می‌گردد. نانوسیم‌های سیلیکونی کاشته شده در میکرودیافراگم در یک پل وتستون به هم متصل شده‌اند که این تغییر شکل را به یک ولتاژ خروجی کمی تبدیل می‌کند. علاوه بر این، این حسگر میکرودیافراگمی، پردازش کم‌هزینه و مصرف توان پایینی را نیز نشان می‌دهد. این حسگر پتانسیل بالایی برای مقیاس‌پذیری، ابعاد بسیار فشرده و سازگاری با فرایند CMOS-IC دارد. با تغییر لایه پلیمری جاذب بخار، روش‌های مشابهی را می‌توان به کار برد که از نظر تئوری باید قادر به تشخیص سایر بخارات آلی نیز باشند.

علاوه بر خواص ذاتی آن که در بخش مواد بحث شد، PDMS می‌تواند برای جذب کلروفرم استفاده شود که اثرات آن معمولاً با تورم و تغییر شکل میکرودیافراگم همراه است؛ بخارات آلی مختلفی نیز در این مطالعه اندازه‌گیری شدند. با پایداری خوب در برابر فرسودگی و بسته‌بندی مناسب، می‌توان سرعت تخریب PDMS در پاسخ به گرما، نور و تشعشع را کاهش داد.

 NEMS زیست-هیبریدی 
بندانگشتی|300px|چپ| یک ریبوزوم یک ماشین بیولوژیکی است که از دینامیک پروتئین در مقیاس نانو استفاده می‌کند
حوزه نوظهور سامانه‌های زیست-هیبریدی، عناصر ساختاری بیولوژیکی و مصنوعی را برای کاربردهای زیست‌پزشکی یا رباتیک ترکیب می‌کند. عناصر تشکیل‌دهنده سامانه‌های زیست-نانوالکترومکانیکی (BioNEMS) در ابعاد نانو هستند، به عنوان مثال DNA، پروتئین‌ها یا قطعات مکانیکی نانوساختار. نمونه‌ها شامل نانوساختارسازی ساده از بالا به پایین پلیمرهای تیول-ان برای ایجاد نانوساختارهای دارای اتصالات عرضی و مستحکم مکانیکی است که متعاقباً با پروتئین‌ها عامل‌دار می‌شوند.

 شبیه‌سازی‌ها 
شبیه‌سازی‌های کامپیوتری از دیرباز همتایان مهمی برای مطالعات تجربی دستگاه‌های NEMS بوده‌اند. از طریق مکانیک محیط‌های پیوسته و دینامیک مولکولی (MD)، می‌توان رفتارهای مهم دستگاه‌های NEMS را قبل از پرداختن به آزمایش‌ها، از طریق مدل‌سازی محاسباتی پیش‌بینی کرد. علاوه بر این، ترکیب تکنیک‌های پیوسته و MD به مهندسان امکان می‌دهد تا پایداری دستگاه‌های NEMS را بدون توسل به شبکه‌بندی‌های بسیار ریز و شبیه‌سازی‌های زمان‌بر، به‌طور مؤثر تحلیل کنند. شبیه‌سازی‌ها مزایای دیگری نیز دارند: آنها به زمان و تخصص مرتبط با ساخت دستگاه‌های NEMS نیاز ندارند؛ می‌توانند به‌طور مؤثر نقش‌های درهم‌تنیده اثرات مختلف الکترومکانیکی را پیش‌بینی کنند؛ و مطالعات پارامتریک در مقایسه با رویکردهای تجربی، به راحتی قابل انجام است. به عنوان مثال، مطالعات محاسباتی توزیع بار و پاسخ‌های الکترومکانیکی «کشیدن به داخل» (pull-in) دستگاه‌های NEMS را پیش‌بینی کرده‌اند. استفاده از شبیه‌سازی‌ها برای پیش‌بینی رفتار مکانیکی و الکتریکی این دستگاه‌ها می‌تواند به بهینه‌سازی پارامترهای طراحی دستگاه NEMS کمک کند.

 قابلیت اطمینان و چرخه عمر NEMS 
 قابلیت اطمینان و چالش‌ها 
قابلیت اطمینان، معیاری کمی برای یکپارچگی و عملکرد یک قطعه بدون خرابی برای یک عمر مشخص محصول فراهم می‌کند. خرابی دستگاه‌های NEMS می‌تواند به دلایل مختلفی از جمله عوامل مکانیکی، الکتریکی، شیمیایی و حرارتی رخ دهد. شناسایی مکانیزم‌های خرابی، بهبود بازده، کمبود اطلاعات و مسائل مربوط به تکرارپذیری به عنوان چالش‌های اصلی برای دستیابی به سطوح بالاتر قابلیت اطمینان برای دستگاه‌های NEMS شناسایی شده‌اند. چنین چالش‌هایی هم در مراحل ساخت (یعنی پردازش ویفر، بسته‌بندی، مونتاژ نهایی) و هم در مراحل پس از ساخت (یعنی حمل و نقل، لجستیک، استفاده) به وجود می‌آیند.

 بسته‌بندی 
چالش‌های بسته‌بندی اغلب ۷۵ تا ۹۵ درصد از کل هزینه‌های MEMS و NEMS را تشکیل می‌دهند. عواملی مانند برش ویفر، ضخامت دستگاه، توالی رهاسازی نهایی، انبساط حرارتی، ایزولاسیون تنش مکانیکی، اتلاف توان و گرما، به حداقل رساندن خزش، جداسازی محیط و پوشش‌های محافظتی توسط طراحی بسته‌بندی در نظر گرفته می‌شوند تا با طراحی قطعه MEMS یا NEMS هماهنگ باشند. تحلیل لایه‌لایه شدن، تحلیل حرکت و تست‌های طول عمر برای ارزیابی تکنیک‌های کپسوله‌سازی در سطح ویفر، مانند درپوش به ویفر، ویفر به ویفر و کپسوله‌سازی لایه نازک، استفاده شده‌اند. تکنیک‌های کپسوله‌سازی در سطح ویفر می‌توانند منجر به بهبود قابلیت اطمینان و افزایش بازده برای دستگاه‌های میکرو و نانو شوند.

 ساخت 
ارزیابی قابلیت اطمینان NEMS در مراحل اولیه فرایند ساخت برای بهبود بازده ضروری است. اشکال نیروهای سطحی، مانند چسبندگی و نیروهای الکترواستاتیکی، تا حد زیادی به توپوگرافی سطح و هندسه تماس بستگی دارند. ساخت انتخابی سطوح با بافت نانو، سطح تماس را کاهش داده و عملکرد چسبندگی و اصطکاک را برای NEMS بهبود می‌بخشد. علاوه بر این، پیاده‌سازی نانوپست‌ها بر روی سطوح مهندسی‌شده، آب‌گریزی را افزایش داده و منجر به کاهش چسبندگی و اصطکاک می‌شود.

چسبندگی و اصطکاک را می‌توان با نانو-الگودهی نیز دستکاری کرد تا زبری سطح برای کاربردهای مناسب دستگاه NEMS تنظیم شود. پژوهشگران دانشگاه ایالتی اوهایو از میکروسکوپ نیروی اتمی/اصطکاکی (AFM/FFM) برای بررسی اثرات نانو-الگودهی بر آب‌گریزی، چسبندگی و اصطکاک برای پلیمرهای آب‌دوست با دو نوع ناهمواری الگوبرداری شده (نسبت ابعادی پایین و نسبت ابعادی بالا) استفاده کردند. مشخص شد که زبری بر روی سطوح آب‌دوست در مقابل سطوح آب‌گریز به ترتیب دارای روابط معکوس و مستقیم است.

به دلیل نسبت سطح به حجم بزرگ و حساسیت بالا، چسبندگی و اصطکاک می‌توانند مانع عملکرد و قابلیت اطمینان دستگاه‌های NEMS شوند. این مسائل تریبولوژیکی از کوچک‌سازی طبیعی این ابزارها ناشی می‌شوند؛ با این حال، سیستم را می‌توان از طریق دستکاری مواد ساختاری، فیلم‌های سطحی و روان‌کننده‌ها بهینه کرد. در مقایسه با فیلم‌های سیلیکون یا پلی‌سیلیکون بدون ناخالصی، فیلم‌های SiC کمترین خروجی اصطکاکی را دارند که منجر به افزایش مقاومت در برابر خراش و عملکرد بهتر در دماهای بالا می‌شود. پوشش‌های سخت کربن شبه-الماس (DLC) اصطکاک کم، سختی و مقاومت به سایش بالا، علاوه بر مقاومت‌های شیمیایی و الکتریکی را از خود نشان می‌دهند. زبری، عاملی که ترشوندگی را کاهش و آب‌گریزی را افزایش می‌دهد، می‌تواند با افزایش زاویه تماس برای کاهش ترشوندگی و امکان چسبندگی و تعامل کم دستگاه با محیط خود، بهینه شود.

خواص مواد به اندازه وابسته است؛ بنابراین، تحلیل ویژگی‌های منحصر به فرد NEMS و مواد در مقیاس نانو برای حفظ قابلیت اطمینان و پایداری بلندمدت دستگاه‌های NEMS اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کند. برخی از خواص مکانیکی، مانند سختی، مدول الاستیک و آزمون‌های خمش، برای نانومواد با استفاده از یک نانوایندنتر بر روی ماده‌ای که فرآیندهای ساخت را طی کرده، تعیین می‌شوند. با این حال، این اندازه‌گیری‌ها در نظر نمی‌گیرند که دستگاه در صنعت تحت تنش‌ها و کرنش‌های طولانی یا چرخه‌ای چگونه عمل خواهد کرد. ساختار تتا یک مدل NEMS است که خواص مکانیکی منحصر به فردی از خود نشان می‌دهد. این ساختار که از سیلیکون تشکیل شده، دارای استحکام بالایی است و قادر است تنش‌ها را در مقیاس نانو متمرکز کند تا خواص مکانیکی خاصی از مواد را اندازه‌گیری نماید.Osborn, W. A. , Mclean, M. , Smith, D. T. , Gerbig, Y. (2017, November). Nanoscale Strength Measurements and Standards. NIST. Retrieved from https://www.nist.gov

 تنش‌های پسماند 
برای افزایش قابلیت اطمینان یکپارچگی ساختاری، مشخصه‌یابی ساختار ماده و تنش‌های ذاتی در مقیاس‌های طولی مناسب، اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کند. اثرات تنش‌های پسماند شامل شکست، تغییر شکل، لایه‌لایه شدن و تغییرات ساختاری در ابعاد نانو است اما محدود به اینها نیست، که می‌تواند منجر به خرابی در عملکرد و تخریب فیزیکی دستگاه شود.

تنش‌های پسماند می‌توانند بر خواص الکتریکی و نوری تأثیر بگذارند. به عنوان مثال، در کاربردهای مختلف فتوولتائیک و دیودهای ساطع‌کننده نور (LED)، انرژی شکاف باند نیمه‌رساناها را می‌توان با اثرات تنش پسماند به‌طور متناسب تنظیم کرد.

میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) و طیف‌سنجی رامان می‌توانند برای مشخصه‌یابی توزیع تنش‌های پسماند بر روی لایه‌های نازک از نظر تصویربرداری حجم نیرو، توپوگرافی و منحنی‌های نیرو استفاده شوند. علاوه بر این، تنش پسماند را می‌توان برای اندازه‌گیری دمای ذوب نانوساختارها با استفاده از گرماسنجی روبشی تفاضلی (DSC) و پراش اشعه ایکس وابسته به دما (XRD) به کار برد.

 آینده 
موانع کلیدی که در حال حاضر مانع کاربرد تجاری بسیاری از دستگاه‌های NEMS می‌شوند، شامل بازده پایین و تنوع بالای کیفیت دستگاه‌ها است. قبل از اینکه دستگاه‌های NEMS واقعاً قابل پیاده‌سازی باشند، باید ادغام‌های معقولی از محصولات مبتنی بر کربن ایجاد شود. گام اخیر در این راستا برای الماس نشان داده شده است که به سطح پردازشی قابل مقایسه با سیلیکون دست یافته است. تمرکز در حال حاضر از کارهای تجربی به سمت کاربردهای عملی و ساختارهای دستگاهی که این دستگاه‌های نوین را پیاده‌سازی کرده و از آنها سود ببرند، در حال تغییر است. چالش بعدی که باید بر آن غلبه کرد، شامل درک تمام خواص این ابزارهای مبتنی بر کربن و استفاده از این خواص برای ساخت NEMSهای کارآمد و بادوام با نرخ خرابی پایین است.

مواد مبتنی بر کربن به دلیل خواص مکانیکی و الکتریکی استثنایی خود به عنوان مواد اصلی برای استفاده در NEMS عمل کرده‌اند.

اخیراً، نانوسیم‌های شیشه کالکوژناید به عنوان یک پلتفرم کلیدی برای طراحی NEMSهای قابل تنظیم به دلیل امکان مدولاسیون فعال مدول یانگ، نشان داده شده‌اند.

پیش‌بینی می‌شود بازار جهانی NEMS تا سال ۲۰۲۲ به ۱۰۸٫۸۸ میلیون دلار برسد.

 کاربردها 
 کانتیلیورهای مبتنی بر نانوالکترومکانیک 
پژوهشگران مؤسسه فناوری کالیفرنیا یک کانتیلیور مبتنی بر NEM با تشدید مکانیکی تا فرکانس‌های بسیار بالا (VHF) توسعه دادند. ادغام مبدل‌های جابجایی الکترونیکی مبتنی بر فیلم‌های نازک فلزی پیزومقاومتی، خوانش بدون ابهام و کارآمد دستگاه نانو را تسهیل می‌کند. عامل‌دار کردن سطح دستگاه با استفاده از یک پوشش پلیمری نازک با ضریب تقسیم بالا برای گونه‌های مورد نظر، به کانتیلیورهای مبتنی بر NEMS امکان می‌دهد تا اندازه‌گیری‌های جذب شیمیایی را در دمای اتاق با تفکیک‌پذیری جرمی کمتر از یک آتوگرم ارائه دهند. قابلیت‌های بیشتر کانتیلیورهای مبتنی بر NEMS برای کاربردهای حسگرها، پروب‌های روبشی و دستگاه‌هایی که در فرکانس بسیار بالا (۱۰۰ مگاهرتز) کار می‌کنند، مورد بهره‌برداری قرار گرفته است.

 منابع 

رده:علوم کاربردی
رده:نانوالکترونیک