NEMS - наноэлектромеханические системы | Простой обзор

NEMS (сокращение от NanoElectroMechanical System) - это устройства, которые объединяют электрические и механические функции на наноуровне, то есть на уровне 100 нанометров или ниже.

Они представляют собой продвинутый уровень миниатюризации после MEMS (MicroElectroMechanical System), который обычно имеет дело с компонентами размером от 1 до 100 нанометров.

NEMS имеет несколько интересных свойств. Он может обеспечить доступ к основным частотам в микроволновом диапазоне, чувствительности к силе на уровне аттоньютона, теплоемкости намного ниже йококалории, активным массам в диапазоне фемтограмм, чувствительности к массе на уровнях отдельных молекул - список можно продолжить.

NEMS в основном содержит такие устройства, как исполнительные механизмы, датчики, резонаторы, балки, датчики и двигатели. Эти компоненты преобразуют одну форму энергии в другую, которую затем можно легко измерить и использовать.

Ранние примеры NEMS

Первый NEMS был построен Давоном Кангом и Мохамедом М. Аталлой в Bell Labs в 1960 году. Это был полевой транзистор MOSFET (металл-оксид-полупроводник) с толщиной оксида затвора 100 нм.

Два года спустя они успешно изготовили переходной транзистор металл-полупроводник на основе нанослоя, который содержал пленки золота толщиной 10 нм. Однако первый полевой МОП-транзистор с оксидом затвора 10 нм появился только в 1987 году.

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

Изобретение в 1989 году полевых МОП-транзисторов с несколькими затворами 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 на одном кристалле. Эти интегральные схемы получили широкое распространение в 1970-х годах, что позволило разрабатывать сложные полупроводники и методы связи.

ЦП, ГП, ОЗУ, ПЗУ и прочая связующая логика - все это устройства СБИС. До изобретения процесса СБИС большинство интегральных схем могло выполнять лишь ограниченное количество задач.

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

MOSFET теперь считается основным строительным блоком современной электроники. С 1960-х годов он в основном отвечает 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 произведено около 13 секстиллионов (или 13 тысяч триллионов) полевых МОП-транзисторов.

Как производятся устройства NEMS?

NEMS может быть изготовлен с использованием двух взаимодополняющих подходов:

Нисходящий подход: Для создания устройств используются традиционные методы микротехнологии, такие как электронная или оптическая литография и термическая обработка. Хотя он обеспечивает больший контроль над результирующими структурами, он ограничен разрешающей способностью используемого метода.

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

В некоторых случаях крупные материалы измельчаются до нанометрового размера, чтобы увеличить отношение площади поверхности к объему, что в конечном итоге увеличивает 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 желаемую конформацию. Эти подходы основаны на концепциях молекулярного распознавания (специфическое взаимодействие между двумя или более молекулами) или молекулярной самосборки (без внешнего направления).

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

Подход снизу вверх также встречается в природе. Например, биологические системы используют химические силы для создания клеточных структур, необходимых для жизни. Исследователи пытаются имитировать такое поведение природы, чтобы создать кластеры определенных атомов, которые могут самоорганизовываться в полезные структуры.

Одним из хороших примеров таких подходов является производство углеродных нанотрубок с использованием метода полимеризации, катализируемой металлами.

Материалы, используемые для создания NEMS

1. Полидиметилсилоксан

Полидиметилсилоксан - наиболее часто используемый органический полимер на основе кремния. Этот силиконовый эластомер известен своими уникальными свойствами. Он термостойкий, химически инертный, механически конфигурируемый, оптически чистый и в целом нетоксичный, инертный и негорючий.

Поскольку он может образовывать плотное уплотнение с силиконом, его можно интегрировать в NEMS, настраивая как электрические, так и механические характеристики. Сила сцепления полидиметилсилоксана лучше проявляется в различных влажных средах и имеет более низкий коэффициент трения по сравнению с кремнием.

Низкий коэффициент трения и гидрофобность полидиметилсилоксана делают его идеальным материалом для использования в исследованиях NEMS. Он также привлекает внимание в технологии NEMS благодаря быстрому и недорогому производству.

Исследования показывают, что скорость разложения полидиметилсилоксана под действием света, тепла и излучения можно замедлить с помощью соответствующей упаковки и хорошей устойчивости к старению.

2. Материалы на углеродной основе

Фотография однослойной углеродной нанотрубки, полученная с помощью сканирующей туннельной микроскопии | Предоставлено:NIST

Аллотропы углерода, в частности графен и углеродные нанотрубки, широко используются в технологии NEMS. Их характеристики напрямую соответствуют требованиям NEMS. Например, полупроводниковая и металлическая проводимость углеродных аллотропов позволяет им работать как транзисторы.

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

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

3. Биологические машины

Иллюстрация противораковых нанороботов

Биологические механизмы, такие как миозин (управляющие сокращением мышц), являются наиболее сложными макромолекулярными механизмами внутри клеток, обычно в форме мультибелковых комплексов.

Некоторые из них отвечают за производство энергии, а некоторые - за экспрессию генов. Они могут сыграть решающую роль в наномедицине. Например, их можно использовать для обнаружения и уничтожения опухолевых клеток.

Молекулярная нанотехнология - это развивающаяся область нанотехнологий, которая исследует возможность создания биологических машин, которые могут перестраивать материю в атомном масштабе. BioNEMS включает биологические и синтетические структурные элементы (наноразмерного размера) для биомедицинских / робототехнических приложений. Нанороботов, например, можно вводить в организм для выявления и лечения инфекций.

Хотя предлагаемые элементы BioNEMS, такие как нанороботы и молекулярные ассемблеры, намного превосходят существующие возможности, несколько исследований дали многообещающие результаты для будущих приложений.

Прочтите:Нанороботы с запрограммированной ДНК могут уменьшить опухоль

Приложения

NEMS служит технологией, объединяющей науки о жизни и инженерию способами, которые в настоящее время невозможны с помощью микромасштабных технологий. Это окажет значительное влияние на различные отрасли:

Полупроводниковая промышленность: Наиболее широко используемым полупроводниковым устройством является полевой МОП-транзистор. На его долю приходится 99,9% всех транзисторов. Учитывая длину затвора транзисторов в процессорах или устройствах DRAM, критический масштаб длины интегральных схем уже составляет менее 50 нанометров. Последние кремниевые полевые МОП-транзисторы основаны на полевых транзисторах с ребрами, в которых используются процессы 10 и 7 нм.

Автомобильная промышленность: Наноматериалы, такие как нанолисты, нановолокна, нанотрубки, нанопроволоки и наностержни, предлагают несколько преимуществ в автомобильном секторе. Например, нанодобавки могут значительно увеличить срок службы шин, а также сопротивление истиранию, качению и сцепление с дорогой на мокрой дороге. NEMS также является ключом к улучшению характеристик топливных элементов будущих поколений автомобилей, работающих на водороде.

Связь: Благодаря уникальным механическим свойствам (которые обеспечивают высокие резонансные частоты и возможность высокочастотной перестройки) резонаторы NEMS, в том числе графеновые резонаторы, обеспечивают многообещающую основу для будущих сверхбыстрых систем связи. Однако большая часть разработок в этой области в настоящее время ограничивается теоретическими моделями, симуляциями и лабораторными экспериментами.

Графеновый электрод для пьезоэлектрических резонаторов NEMS | Изображение предоставлено:Северо-Восточный университет

Медицинский сектор: Датчики NEMS обнаруживают и контролируют данные пациента, такие как уровень воды, уровень глюкозы и наличие различных белков и ионов. Эти датчики могут быть настроены для идентификации конкретных белков, от человеческого альбумина до бета-2-микроглобулинов. Помимо мониторинга, они могут разделять клетки разного размера, предотвращая засорение микрофлюидной системы.

Хранение и производство энергии: Нанотехнологии открывают большие перспективы для увеличения срока службы и производительности литий-ионных аккумуляторов. Он также может повысить удельную мощность, 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-наногенераторы, которые получают энергию из глюкозы в крови в живом организме (так же, как организм вырабатывает энергию из пищи).

Также проводятся исследования нескольких наноструктурированных материалов, особенно нанопроволок, с целью разработки более эффективных и недорогих солнечных элементов, чем это возможно с традиционными планарными кремниевыми солнечными элементами.

Мировой рынок и будущее

Текущий рынок устройств NEMS находится в зачаточном состоянии. Он разделен на нанопинцеты, нанорезонаторы, гироскопы, наносенсоры, нанороботы, нанопинцеты и другие крошечные компоненты.

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

Прочтите:Что такое МЭМС (микроэлектромеханическая система)? Типы и применение

Исследования и разработки в области наноматериалов и нанотехнологий продолжаются. По имеющимся данным, ожидается, что глобальный рынок NEMS будет расти в среднем на 29%. К 2022 году он достигнет 108,88 миллиона долларов, при этом лидером рынка станет Северная Америка.

Часто задаваемые вопросы

В чем разница между MEMS и NEMS?

МЭМС (микроэлектромеханические системы) состоят из компонентов, размер которых составляет от 1 мкм до 100 мкм. Устройства МЭМС обычно содержат центральный процессор (например, микропроцессор) и несколько компонентов, которые взаимодействуют с окружающей средой (например, микросенсоры).

NEMS (наноэлектромеханические системы), с другой стороны, являются следующим логическим шагом миниатюризации MEMS. Эти устройства объединяют механические и электрические функции в наномасштабе, строго между 1 и 100 нм.

Каковы основные преимущества NEMS?

NEMS обладают уникальными и интересными свойствами, которые сильно отличаются от своих предшественников MEMS. Например, они могут иметь

• Основные частоты в микроволновом диапазоне (около ∼100 ГГц)
• Активная масса в диапазоне фемтограмм (10 ⁻¹⁵ ж)
• Массовая чувствительность до уровней аттограмм (10 ⁻¹⁸ ж)
• Чувствительность к силе на уровне аттоньютона (10 ^-18 Ньютон)
• Теплоемкость намного ниже минимальной калорийности (4,184 x 10 ⁺²⁴ J)
• Потребляемая мощность порядка 10 аттоватт (10 ⁻¹⁸ Вт)
• Низкое рассеяние энергии
• Чрезвычайно высокий уровень интеграции, приближающийся к 1012 элементам на квадратный сантиметр.

Читайте:14 необычных применений нанотехнологий | Преимущества и применение

Из чего сделаны наносенсоры?

Наносенсоры изготовлены из одномерных наноматериалов, таких как нанотрубки и нанопроволоки.

Эти крошечные устройства измеряют физические характеристики, такие как объем, концентрацию, температуру, давление или электрические и магнитные силы. Наиболее распространенные показания наносенсоров включают механические, вибрационные, оптические или электромагнитные.