NEMS: Наноэлектромеханические системы — ключевые особенности и применения

NEMS (NanoElectroMechanical Systems — наноэлектромеханические системы) — устройства, интегрирующие электрическую и механическую функциональность на наномасштабе, то есть на уровне 100 нанометров и ниже.

Это передовая ступень миниатюризации после MEMS (MicroElectroMechanical Systems), которые обычно работают с компонентами от 1 до 100 микрометров.

NEMS обладает рядом увлекательных атрибутов: доступ к фундаментальным частотам в микроволновом диапазоне, чувствительность к силе на уровне аттоньютонов, теплоемкость далеко ниже yoktokcal, активные массы в фемтограммовом диапазоне, массовая чувствительность на уровне отдельных молекул — и так далее.

NEMS в основном содержат исполнительные механизмы, сенсоры, резонаторы, балки, моторы. Эти компоненты преобразуют одну форму энергии в другую, которую затем можно легко измерить и использовать.

Ранние примеры NEMS

Первая NEMS была построена Давоном Кангом и Мохамедом М. Аталлой в Bell Labs в 1960 г. Это был MOSFET (полевой транзистор с металл-оксид-полупроводником) с толщиной шлюзового оксида 100 нм.

Через два года им удалось изготовить нанослойный металл-полупроводниковый переходный транзистор со золотыми пленками толщиной 10 нм. Однако первый MOSFET с 10-нм шлюзовым оксидом появился только в 1987 г.

Иллюстрация MOSFET, показывающая основание (B), источник (S), шлюз (G) и сток (D).

Изобретение мультишлюзовых MOSFET в 1989 г. позволило компаниям вроде Intel, IBM, AMD, Samsung Electronics создавать все более мелкие микропроцессоры и ячейки памяти.

Технология VLSI (very large scale integration — сверхбольшая степень интеграции) сделала возможным размещение миллионов MOS-транзисторов на одном чипе. Эти интегральные схемы получили широкое распространение в 1970-х, позволив развивать сложные полупроводники и коммуникационные техники.

CPU, GPU, RAM, ROM и другая glue logic — всё это VLSI-устройства. До изобретения VLSI большинство интегральных схем могли выполнять только ограниченное число задач.

Микропроцессор 80486 (1990-е) с более чем миллионом транзисторов

MOSFET теперь считается базовым строительным блоком современной электроники. С 1960-х в основном отвечает за увеличение плотности транзисторов, улучшение производительности и снижение потребления энергии интегральных схем.

MOSFET — одно из самых массово производимых устройств в истории. По состоянию на 2018 г. изготовлено около 13 секстиллионов (13 тысяч триллионов) MOSFET.

Как производятся NEMS-устройства?

NEMS можно изготовить двумя взаимодополняющими подходами:

Top-down подход (сверху вниз)

Использует традиционные микрофабрикационные техники: электронную или оптическую литографию луча и термические обработки для построения устройств. Дает больший контроль над результирующими структурами, но ограничен разрешением используемой техники.

В этом подходе исходные материалы — относительно крупные структуры, например кристаллы кремния. Обычно используют травленные полупроводниковые слои или металлические тонкопленочные структуры для fabricación NEMS-устройств: нанстержней, нанпроводников, структурированных наноструктур.

В некоторых случаях крупные материалы дробят до наномасштаба для увеличения соотношения площадь/объем, что повышает реактивность наноматериалов. Процесс производства углеродных нанотрубок из графита в дуговой печи — классический пример top-down подхода.

Bottom-up подход (снизу вверх)

Использует химические характеристики молекул для их организации или сборки в желаемой конфигурации. Опирается на концепции молекулярного распознавания (специфическое взаимодействие двух и более молекул) или молекулярной самоорганизации (без внешнего направления).

Хотя дает ограниченный контроль над процессом фабрикации, позволяет строить гораздо более мелкие структуры без большого расхода материала по сравнению с top-down.

Bottom-up подход встречается в природе. Биологические системы используют химические силы для производства клеточных структур, необходимых для жизни. Ученые пытаются имитировать это поведение для создания кластеров определенных атомов, способных самоорганизовываться в полезные структуры.

Хороший пример — производство углеродных нанотрубок методом металлоктализированной полимеризации.

Материалы для изготовления NEMS

1. Полидиметилсилоксан (PDMS)

Полидиметилсилоксан — наиболее используемый кремнийсодержащий органический полимер. Этот силиконовый эластомер известен уникальными свойствами. Термически стабилен, химически инертен, механически настраиваем, оптически прозрачен, в целом нетоксичен, инертен и негорюч.

Поскольку он формирует герметичную связь с кремнием, его можно интегрировать в NEMS, конфигурируя как электрические, так и механические характеристики. Адгезивные силы PDMS лучше работают в разной влажности и обладают более низким коэффициентом трения по сравнению с кремнием.

Низкий коэффициент трения и гидрофобность PDMS делают его идеальным материалом для включения в исследования NEMS. Также привлекает внимание в NEMS-технологиях благодаря времениэффективному и недорогому производству.

Исследования показывают: деградация PDMS под воздействием света, тепла и радиации может быть замедлена правильной упаковкой и хорошей старой стабильностью.

2. Углеродоснованные материалы

Фото сканирующим туннельным микроскопом однослойной углеродной нанотрубки | Credit: NIST

Углеродные аллотропы, конкретно графен и углеродные нанотрубки, широко используются в NEMS-технологиях. Их характеристики напрямую соответствуют требованиям NEMS. Например, полупроводниковая и металлическая проводимость углеродных аллотропов позволяет им работать как транзисторы.

Помимо механических преимуществ, электрические свойства графена и нанотрубок позволяют использовать их в нескольких компонентах NEMS. Физическая прочность удовлетворяет высоким нагрузкам. Поэтому они главные в технологическом развитии NEMS.

Пока графеновые NEMS работают как массовые и силовые сенсоры, нанотрубковые NEMS широко применяются в наномоторах (генерация сил на порядок пиконьютонов), переключателях и высокочастотных осцилляторах.

3. Биологические машины

Иллюстрация нанороботов, борющихся с раком

Биологические машины, такие как миозин (обеспечивает сокращение мышц), — самые сложные макромолекулярные машины внутри клеток, обычно в виде мультипротеинных комплексов.

Некоторые отвечают за выработку энергии, некоторые — за экспрессию генов. Могут сыграть ключевую роль в наномедицине. Например, для обнаружения и уничтожения опухолевых клеток.

Молекулярная нанотехнология — الناشющая область нанотеха, исследующая возможность инженерии биологических машин, способных переупорядочивать материю на атомном уровне. BioNEMS включает биологические и синтетические структурные элементы (наномасштаба) для биомедицинских/роботизированных применений. Нанороботы, например, могут быть инъецированы в тело для идентификации и ремонта инфекций.

Пока предложенные элементы BioNEMS (нанороботы, молекулярные ассемблеры) далеко за текущими возможностями, несколько исследований дали обнадеживающие результаты для будущих применений.

Применения

NEMS служит технологией-инейблером, объединяющей علوم о жизни с инженерией способами, нереализуемыми микромасштабными техниками. Окажет значительное влияние на разные отрасли:

Полупроводниковая индустрия

Наиболее широко используемое полупроводниковое устройство — MOSFET. Составляет 99,9% всех транзисторов. Учитывая длину шлюза транзисторов в CPU или DRAM, критическая длина интегральных схем уже ниже 50 нм. Недавние кремниевые MOSFET основаны на finFET, использующих 10-нм и 7-нм процессы.

Автопром

Наноматериалы (нанослои, нановолокна, нанотрубки, нанпроводники, нанстержни) дают преимущества в автосекторе. Наноаддитивы могут значительно улучшить срок службы шин, абразивное сопротивление, сопротивление качению, сцепление на мокрой дороге. NEMS также ключ к улучшению производительности топливных элементов будущих поколений водородных автомобилей.

Связь

Благодаря уникальным механическим свойствам (высокие резонансные частоты и высокая настраиваемость частоты) NEMS-резонаторы, включая графеновые, дают перспективную базу для будущих ультрабыстрых систем связи. Однако большинство разработок в этой сфере пока ограничены теоретическими моделями, симуляциями и лабораторными экспериментами.

Графеновый электрод для пьезоэлектрических NEMS-резонаторов | Image credit: Northeastern University

Медицинский сектор

NEMS-сенсоры детектируют и мониторят данные пациентов: уровень воды, глюкозу, наличие различных белков и ионов. Можно сконфигурировать для идентификации конкретных белков — от человеческого альбумина до бета-2-микроглобулинов. Помимо мониторинга, могут разделять клетки разного размера, предотвращая засорение в микрожидкостных системах.

Накопление и выработка энергии

Нанотехнологии дают большой потенциал для увеличения срока службы и производительности литий-ионных батарей. Потенциал повысить плотность энергии, сократить время зарядки, уменьшить вес и размер, повысив стабильность и безопасность.

Кроме того, идут исследования наномасштабных электрохимических устройств — гальванических или топливных элементов — для выработки энергии. Это био-наногенераторы, черпающие энергию из глюкозы крови в живом теле (так же, как организм получает энергию из пищи).

Также исследуются наноструктурированные материалы, особенно нанпроводники, для разработки более эффективных и дешевых солнечных элементов, чем возможно с традиционными планарными кремниевыми.

Глобальный рынок и будущее

Текущий рынок NEMS-устройств в зачаточном состоянии. Сегментирован на нанопинцеты, нанорезонаторы, гироскопы, наносенсоры, нанороботы, нанопинцеты и другие крошечные компоненты.

Ожидается надежный рост в ближайшие годы, обусловленный преимуществами NEMS: высокой резонансной частотой, низким энергопотреблением, множественными частотами на одном чипе, снижением размера и стоимости интегральных схем.

R&D в области наноматериалов и нанотехнологий в процессе. По отчетам, глобальный рынок NEMS вырастет с CAGR 29%. К 2022 г. достигнет $108,88 млн, Северная Америка лидирует.

Часто задаваемые вопросы

В чем разница между MEMS и NEMS?

MEMS (микроэлектромеханические системы) состоят из компонентов размером 1–100 мкм. Обычно содержат центральный процессор (микропроцессор) и множество компонентов, взаимодействующих с окружением (микросенсоры).

NEMS (наноэлектромеханические системы) — следующий логический шаг миниатюризации MEMS. Интегрируют механическую и электрическую функциональность на наномасштабе, строго между 1 и 100 нм.

Каковы главные преимущества NEMS?

NEMS обладают уникальными свойствами, сильно отличающимися от MEMS. Например:

• Фундаментальные частоты в микроволновом диапазоне (~100 ГГц)
• Активная масса в фемтограммовом диапазоне (10⁻¹⁵ г)
• Массовая чувствительность до аттограммовых уровней (10⁻¹⁸ г)
• Чувствительность к силе на уровне аттоньютонов (10⁻¹⁸ Ньютон)
• Теплоемкость далеко ниже йоктокаллории (4,184 × 10⁻²⁴ Дж)
• Потребление энергии порядка 10 аттоватт (10⁻¹⁸ Вт)
• Низкая диссипация энергии
• Экстремально высокий уровень интеграции, приближающийся к 10¹² элементов на см²

Из чего сделаны наносенсоры?

Наносенсоры изготавливаются из одномерных наноматериалов: нанотрубок и нанпроводников.

Эти крошечные приборы измеряют физические характеристики: объем, концентрацию, температуру, давление, электрические и магнитные силы. Наиболее частые ридауты наносенсоров: механические, вибрационные, оптические, электромагнитные.