НЭМС — Наноэлектромеханические системы | Простой обзор

По | 07.07.2020

NEMS (сокращение от NanoElectroMechanical System) — это устройства, которые объединяют электрическую и механическую функциональность на наноуровне, т. Е. На уровне 100 нм или ниже.

Это продвинутый уровень миниатюризации после MEMS (MicroElectroMechanical System), который обычно имеет дело с компонентами размером от 1 до 100 микрометров.

У NEMS есть несколько захватывающих признаков. Он может обеспечить доступ к основным частотам в микроволновом диапазоне, чувствительности к силе на уровне аттоньютона, теплоемкости намного ниже йокальной калории, активным массам в диапазоне фемтограмм, чувствительности к массе на уровнях отдельных молекул — этот список можно продолжить.

NEMS в основном содержит такие устройства, как приводы, датчики, резонаторы, балки, датчики и двигатели. Эти компоненты преобразуют одну форму энергии в другую, которая затем может быть легко измерена и использована.

Ранние примеры NEMS

Первая NEMS была построена Dawon Kahng и Mohamed M. Atalla в Bell Labs в 1960 году. Это был MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) с толщиной оксида затвора 100 нм.

Два года спустя они успешно изготовили транзисторный переход металл-полупроводник на основе нанослоя, содержащий пленки золота толщиной 10 нм. Тем не менее, первый MOSFET с 10 нм оксидом затвора появился только в 1987 году.

Иллюстрация полевого МОП-транзистора, показывающая клеммы корпуса (B), истока (S), затвора (G) и стока (D).

Изобретение MOSFET с несколькими шлюзами в 1989 году позволило нескольким компаниям, включая Intel, IBM, AMD и Samsung Electronics, создать микропроцессоры и ячейки памяти все меньшего размера.

Процесс VLSI (очень крупномасштабная интеграция) позволил объединить миллионы МОП-транзисторов в одном чипе. Эти интегральные схемы получили широкое распространение в 1970-х годах, что позволило разработать сложные полупроводники и методы связи.

CPU, GPU, RAM, ROM и другая клейкая логика — все это устройства VLSI. До изобретения процесса СБИС большинство интегральных микросхем могли выполнять только ограниченное количество задач.

Микропроцессор 80486 (с 1990-х годов) с более чем миллионом транзисторов

MOSFET теперь считается основным строительным блоком современной электроники. С 1960-х годов он несет основную ответственность за увеличение плотности транзисторов, повышение производительности и снижение энергопотребления интегральных схем.

MOSFET также является одним из самых производимых устройств в истории. По состоянию на 2018 год было изготовлено около 13 секстиллионов (или 13 тысяч триллионов) МОП-транзисторов.

Как производятся устройства NEMS?

NEMS могут быть изготовлены с использованием двух взаимодополняющих подходов:

Нисходящий подход: Он использует традиционные методы микрообработки, такие как электронная или оптическая литография и термическая обработка, для создания устройств. Хотя он обеспечивает больший контроль над получающимися структурами, он ограничен разрешением используемого метода.

При таком подходе исходные материалы представляют собой относительно крупные структуры, такие как кристаллы кремния. Как правило, протравленные полупроводниковые слои или металлические тонкие пленки используются для изготовления устройств NEMS, таких как наностержни, нанопроволоки и структурированные наноструктуры.

В некоторых случаях крупные материалы измельчаются до нанометрового масштаба, чтобы увеличить отношение площади поверхности к объему, что в конечном итоге повышает реакционную способность наноматериалов. Процесс производства углеродных нанотрубок с использованием графита в дуговой печи является прекрасным примером нисходящего подхода.

Подход «снизу вверх: Он использует химические характеристики молекул, чтобы организовать или собрать их в желаемой конформации. Эти подходы основаны на понятиях молекулярного распознавания (специфическое взаимодействие между двумя или более молекулами) или молекулярной самосборки (без внешнего направления).

Хотя он обеспечивает ограниченный контроль над процессом изготовления, можно создавать гораздо меньшие конструкции, не тратя много материала по сравнению с подходами сверху вниз.

Восходящий подход также можно найти в природе. Например, биологические системы используют химические силы для создания клеточных структур, необходимых для жизни. Исследователи пытаются подражать такому поведению природы, чтобы создать кластеры определенных атомов, которые могут самостоятельно собраться в некоторые полезные структуры.

Одним хорошим примером таких подходов является изготовление углеродных нанотрубок с использованием технологии полимеризации, катализируемой металлом.

Материалы, используемые для изготовления NEMS

1. Полидиметилсилоксан

Полидиметилсилоксан является наиболее часто используемым органическим полимером на основе кремния. Этот силиконовый эластомер известен своими уникальными свойствами. Он является термически стабильным, химически инертным, механически конфигурируемым, оптически прозрачным и, как правило, нетоксичным, инертным и негорючим.

Поскольку он может образовывать герметичное соединение с кремнием, его можно интегрировать в NEMS, настраивая как электрические, так и механические характеристики. Силы адгезии полидиметилсилоксана лучше действуют в условиях изменяющейся влажности и обладают более низким коэффициентом трения по сравнению с кремнием.

Низкий коэффициент трения и гидрофобность полидиметилсилоксана делают его идеальным материалом для исследований NEMS. Это также привлекает внимание в технологии NEMS из-за ее эффективного и недорогого производства.

Исследования показывают, что скорость разложения полидиметилсилоксана под действием света, тепла и радиации может быть замедлена с помощью соответствующей упаковки и хорошей стабильности при старении.

2. Материалы на основе углерода

Фото сканирующей туннельной микроскопии одностенной углеродной нанотрубки | Кредит: NIST

Углеродные аллотропы, в частности графен и углеродные нанотрубки, широко используются в технологии NEMS. Их характеристики напрямую соответствуют требованиям NEMS. Например, полупроводниковая и металлическая проводимость углеродных аллотропов позволяют им работать в качестве транзисторов.

Помимо механических преимуществ углеродных аллотропов, электрические свойства графена и углеродных нанотрубок позволяют использовать их в нескольких компонентах NEMS. Физическая прочность графена и углеродных нанотрубок соответствует более высоким требованиям к напряжению. Таким образом, они в основном используются в технологическом развитии NEMS.

В то время как графеновые NEMS могут работать как датчики массы и силы, углеродные нанотрубки NEMS широко используются в наномоторах (которые генерируют силы порядка пиконьютонов), переключателях и высокочастотных генераторах.

3. Биологические машины

Нанороботы Иллюстрация борьбы с раком нанороботов

Биологические машины, такие как миозин (управляет сокращением мышц), являются наиболее сложными макромолекулярными машинами, обнаруживаемыми в клетках, обычно в форме мультибелковых комплексов.

Некоторые из них отвечают за выработку энергии, а некоторые за экспрессию генов. Они могут играть решающую роль в наномедицине. Например, они могут быть использованы для обнаружения и уничтожения опухолевых клеток.

Молекулярная нанотехнология — это новая область нанотехнологий, которая исследует возможность создания биологических машин, которые могли бы перегруппировать вещество в атомном масштабе. BioNEMS включает биологические и синтетические структурные элементы (наноразмерных размеров) для биомедицинских / робототехнических применений. Например, нанороботы можно вводить в организм для выявления и устранения инфекций.

Хотя предлагаемые элементы BioNEMS, такие как нанороботы и молекулярные ассемблеры, далеко выходят за рамки современных возможностей, некоторые исследования дали многообещающие результаты для будущих применений.

Читайте: Запрограммированные нанороботы ДНК могут уменьшить опухоль

Приложения

NEMS служит передовой технологией, объединяющей науки о жизни с инженерными разработками способами, которые в настоящее время не осуществимы с помощью микромасштабных методов. Это окажет значительное влияние на различные отрасли:

Полупроводниковая промышленность: Наиболее широко используемым полупроводниковым устройством является МОП-транзистор. На его долю приходится 99,9% всех транзисторов. Учитывая длину затвора транзисторов в устройствах с процессором или DRAM, масштаб критической длины интегральных схем уже ниже 50 нанометров. Современные кремниевые МОП-транзисторы основаны на ребристых полевых транзисторах, которые используют процесс 10 нм и 7 нм.

Автомобили: Наноматериалы, такие как наноленты, нановолокна, нанотрубки, нанопровода и наностержни, предлагают несколько преимуществ в автомобильном секторе. Например, нанодобавки могут значительно улучшить срок службы шин, а также износостойкость, сопротивление качению и сцепление на мокрой дороге. NEMS также является ключом к улучшению характеристик топливных элементов будущего поколения автомобилей с водородным двигателем.

Связь: Благодаря уникальным механическим свойствам (которые обеспечивают высокие резонансные частоты и высокочастотную перестраиваемость), резонаторы NEMS, включая графеновые резонаторы, обеспечивают многообещающую основу для будущих сверхбыстрых систем связи. Тем не менее, большинство разработок в этой области в настоящее время ограничиваются теоретическими моделями, симуляциями и лабораторными экспериментами.

Графеновый электрод для пьезоэлектрических НЭМС-резонаторов | Кредит изображения: Северо-восточный университет

Медицинский сектор: Датчики NEMS обнаруживают и контролируют данные пациентов, такие как уровень воды, уровень глюкозы и присутствие различных белков и ионов. Эти датчики могут быть сконфигурированы для идентификации конкретных белков в диапазоне от человеческого альбумина до бета-2-микроглобулинов. В дополнение к мониторингу они могут отделять клетки разных размеров, предотвращая засорение в микрофлюидной системе.

Хранение и производство энергии: Нанотехнология имеет большие перспективы для увеличения срока службы и производительности литий-ионных аккумуляторов. Он также может повысить плотность мощности, сократить время перезарядки, а также уменьшить вес и размер при одновременном повышении стабильности и безопасности батарей.

Кроме того, продолжаются исследования по использованию наноразмерных электрохимических устройств, таких как гальванические или топливные элементы, для производства энергии. Это био-нано-генераторы, которые получают энергию из глюкозы крови в живом организме (так же, как организм генерирует энергию из пищи).

Существует также исследование нескольких наноструктурированных материалов, особенно нанопроволоки, с целью разработки более эффективных и недорогих солнечных элементов, чем это возможно с традиционными плоскими кремниевыми солнечными элементами.

Мировой рынок и будущее

Текущий рынок устройств NEMS находится в зачаточном состоянии. Он сегментирован на нано-пинцеты, нанорезонаторы, гироскопы, наносенсоры, нанороботы, нанот пинцеты и другие крошечные компоненты.

Ожидается устойчивый рост в ближайшие годы, что объясняется преимуществами NEMS, такими как высокая резонансная частота, низкое энергопотребление, несколько частот на одном кристалле, а также уменьшение размера и стоимости интегральных схем.

Читайте: что такое MEMS (микроэлектромеханическая система)? Типы и применение

Ведутся исследования и разработки в области наноматериалов и нанотехнологий. Согласно сообщениям, ожидается, что мировой рынок NEMS будет расти в среднем на 29%. К 2022 году он достигнет 108,88 млн. Долларов, а Северная Америка станет лидером рынка.

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *