Наноэлектромеханические системы - Nanoelectromechanical systems
| Часть цикла статей о |
| Наноэлектроника |
|---|
Наноэлектромеханические системы ( НЭМС ) - это класс устройств, объединяющих электрические и механические функции в наномасштабе . NEMS образуют следующий логический шаг миниатюризации из так называемых микроэлектромеханических систем или устройств MEMS. NEMS обычно объединяют наноэлектронику, подобную транзисторам, с механическими приводами, насосами или двигателями и, таким образом, могут образовывать физические, биологические и химические сенсоры . Название происходит от типичных размеров устройства в нанометровом диапазоне, что приводит к малой массе, высоким механическим резонансным частотам, потенциально большим квантово-механическим эффектам, таким как движение нулевой точки , и высокому отношению поверхности к объему, полезному для поверхностных сенсорных механизмов. Приложения включают акселерометры и датчики для обнаружения химических веществ в воздухе.
История
Фон
Как отметил Ричард Фейнман в своем знаменитом выступлении в 1959 г. « Снизу много места », существует множество потенциальных применений машин все меньших и меньших размеров; все технологии выигрывают, создавая и управляя устройствами в меньших масштабах. Ожидаемые преимущества включают большую эффективность и уменьшенный размер, снижение энергопотребления и более низкие производственные затраты в электромеханических системах.
В 1960 году Мохамед М. Аталла и Давон Канг из Bell Labs изготовили первый полевой МОП-транзистор с толщиной оксида затвора 100 нм . В 1962 году, Atalla и Kahng изготовили нанослоя -BASE металл-полупроводник (М-С спай) транзистор , что б золота (Au) тонкие пленки с толщиной 10 нм . В 1987 году Биджан Давари возглавил исследовательскую группу IBM, которая продемонстрировала первый полевой МОП-транзистор с толщиной оксида 10 нм. Многозатворные полевые МОП-транзисторы позволяли масштабировать канал длиной менее 20 нм , начиная с FinFET . В берет свое начало от FinFET исследования DIGH Hisamoto в Центральной научно - исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году UC Беркли , группа под руководством Hisamoto и TSMC «ы Chenming Hu изготовлены устройства FinFET до 17 нм длины канала в 1998 году.
NEMS
В 2000 году исследователи из IBM продемонстрировали первое устройство NEMS с очень крупномасштабной интеграцией (СБИС). Его предпосылкой был массив наконечников AFM, которые могут нагревать / воспринимать деформируемую подложку, чтобы функционировать как запоминающее устройство. Другие устройства были описаны Стефаном де Хааном. В 2007 году Международная техническая дорожная карта для полупроводников (ITRS) содержит память NEMS в качестве новой записи в разделе «Новые исследовательские устройства».
Атомно-силовая микроскопия
Ключевое применение NEMS - наконечники атомных силовых микроскопов . Повышенная чувствительность, достигаемая с помощью NEMS, приводит к более компактным и более эффективным датчикам для обнаружения напряжений, вибраций, сил на атомном уровне и химических сигналов. Наконечники АСМ и другие методы обнаружения в наномасштабе в значительной степени зависят от НЭМС.
Подходы к миниатюризации
Можно найти два дополнительных подхода к изготовлению NEMS. При нисходящем подходе для производства устройств используются традиционные методы микротехнологии, то есть оптическая , электронно-лучевая литография и термическая обработка. Будучи ограниченным разрешающей способностью этих методов, он позволяет в значительной степени контролировать получаемые структуры. Таким образом, такие устройства, как нанопроволоки , наностержни и узорчатые наноструктуры, изготавливаются из металлических тонких пленок или вытравленных полупроводниковых слоев. Для нисходящих подходов увеличение отношения площади поверхности к объему увеличивает реакционную способность наноматериалов.
Подходы «снизу вверх», напротив, используют химические свойства отдельных молекул, чтобы заставить компоненты одной молекулы самоорганизоваться или самособираться в некую полезную конформацию, или полагаться на позиционную сборку. Эти подходы используют концепции молекулярной самосборки и / или молекулярного распознавания . Это позволяет изготавливать структуры гораздо меньшего размера, хотя часто за счет ограниченного контроля над процессом изготовления. Кроме того, несмотря на то, что при нисходящем подходе из исходной структуры удаляются остатки материалов, при восходящем подходе удаляется минимальное количество материала или тратится впустую.
Также может быть использована комбинация этих подходов, в которой наноразмерные молекулы интегрируются в структуру сверху вниз. Одним из таких примеров является наномотор из углеродных нанотрубок .
Материалы
Аллотропы углерода
Многие из обычно используемых материалов для технологии NEMS были на основе углерода , в частности, алмаз , углеродные нанотрубки и графен . Это в основном из-за полезных свойств материалов на основе углерода, которые напрямую удовлетворяют потребности NEMS. Механические свойства углерода (такие как большой модуль Юнга ) имеют фундаментальное значение для стабильности NEMS, в то время как металлическая и полупроводниковая проводимость материалов на основе углерода позволяет им функционировать как транзисторы .
И графен, и алмаз демонстрируют высокий модуль Юнга, низкую плотность, низкое трение, чрезвычайно низкую механическую диссипацию и большую площадь поверхности. Низкое трение УНТ позволяет использовать подшипники практически без трения и, таким образом, является огромной мотивацией к практическому применению УНТ в качестве составных элементов НЭМС, таких как наномоторы , переключатели и высокочастотные генераторы. Углеродные нанотрубки и физическая прочность графена позволяют материалам на основе углерода удовлетворять более высокие требования к напряжению, когда обычные материалы обычно не работают, и, таким образом, дополнительно поддерживают их использование в качестве основных материалов в технологическом развитии NEMS.
Наряду с механическими преимуществами материалов на основе углерода, электрические свойства углеродных нанотрубок и графена позволяют использовать его во многих электрических компонентах NEMS. Нанотранзисторы были разработаны как для углеродных нанотрубок, так и для графена. Транзисторы являются одними из основных строительных блоков для всех электронных устройств, поэтому при эффективной разработке используемых транзисторов углеродные нанотрубки и графен имеют очень важное значение для NEMS.
Наномеханические резонаторы часто изготавливают из графена. По мере уменьшения размера резонаторов NEMS наблюдается общая тенденция к снижению добротности обратно пропорционально отношению площади поверхности к объему. Однако, несмотря на эту проблему, было экспериментально доказано, что добротность достигает 2400. Добротность описывает чистоту тона колебаний резонатора. Кроме того, теоретически было предсказано, что зажим графеновых мембран со всех сторон дает повышенные показатели качества. Графеновые НЭМС также могут функционировать как датчики массы, силы и положения.
Металлические углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой аллотропы углерода с цилиндрической наноструктурой. Их можно рассматривать как свернутый графен . При прокатке под определенными и дискретными (« хиральными ») углами комбинация угла прокатки и радиуса определяет, имеет ли нанотрубка запрещенную зону (полупроводниковая) или нет (металлическая).
Металлические углеродные нанотрубки также были предложены для наноэлектронных межсоединений, поскольку они могут нести высокие плотности тока. Это полезное свойство, поскольку провода для передачи тока являются еще одним основным строительным блоком любой электрической системы. Углеродные нанотрубки нашли такое широкое применение в НЭМС, что уже были обнаружены методы соединения взвешенных углеродных нанотрубок с другими наноструктурами. Это позволяет углеродным нанотрубкам образовывать сложные наноэлектрические системы. Поскольку изделиями на основе углерода можно надлежащим образом управлять и они действуют как межсоединения, а также как транзисторы, они служат основным материалом в электрических компонентах NEMS.
Коммутаторы NEMS на основе CNT
Основным недостатком переключателей MEMS по сравнению с переключателями NEMS являются ограниченные микросекундные скорости переключения диапазона MEMS, что снижает производительность для высокоскоростных приложений. Ограничения на скорость переключения и напряжение срабатывания можно преодолеть, уменьшив масштаб устройства от микромасштаба до нанометрового масштаба. Сравнение параметров производительности между переключателями NEMS на основе углеродных нанотрубок (CNT) и их аналогом CMOS показало, что переключатели NEMS на основе CNT сохраняют производительность при более низких уровнях энергопотребления и имеют подпороговый ток утечки на несколько порядков меньше, чем у переключателей CMOS. . НЭМС на основе УНТ с дважды зажатыми структурами изучаются в дальнейшем как потенциальные решения для приложений энергонезависимой памяти с плавающим затвором.
Трудности
Несмотря на все полезные свойства углеродных нанотрубок и графена для технологии NEMS, оба этих продукта сталкиваются с рядом препятствий на пути их реализации. Одна из основных проблем - это реакция углерода на условия реальной жизни. Углеродные нанотрубки демонстрируют большое изменение электронных свойств при воздействии кислорода . Аналогичным образом, другие изменения электронных и механических характеристик материалов на основе углерода должны быть полностью изучены перед их внедрением, особенно из-за их большой площади поверхности, которая может легко вступать в реакцию с окружающей средой. Также было обнаружено, что углеродные нанотрубки имеют разную проводимость, будучи металлическими или полупроводниковыми, в зависимости от их спиральности при обработке. Из-за этого во время обработки нанотрубки должны подвергаться специальной обработке, чтобы гарантировать, что все нанотрубки имеют подходящую проводимость. Графен также обладает сложными свойствами электропроводности по сравнению с традиционными полупроводниками, поскольку в нем отсутствует запрещенная зона и существенно изменяются все правила движения электронов через устройство на основе графена. Это означает, что традиционные конструкции электронных устройств, скорее всего, не будут работать, и для этих новых электронных устройств необходимо разработать совершенно новую архитектуру.
Наноэлектромеханический акселерометр
Механические и электронные свойства графена сделали его подходящим для интеграции в акселерометры NEMS, такие как небольшие датчики и приводы для систем мониторинга сердца и мобильного захвата движения. Толщина графена в атомном масштабе дает возможность акселерометрам уменьшаться от микромасштаба до наномасштаба при сохранении требуемых уровней чувствительности системы.
Подвешивая кремниевую массу на двухслойную графеновую ленту, можно создать наноразмерный пружинный и пьезорезистивный преобразователь с возможностями современных преобразователей в акселерометрах. Масса пружины обеспечивает большую точность, а пьезорезистивные свойства графена преобразуют деформацию ускорения в электрические сигналы для акселерометра. Подвешенная графеновая лента одновременно образует пружину и пьезорезистивный преобразователь, эффективно используя пространство и улучшая характеристики акселерометров NEMS.
Полидиметилсилоксан (ПДМС)
Отказы, возникающие из-за высокого сцепления и трения, вызывают беспокойство для многих NEMS. В NEMS часто используется кремний благодаря хорошо изученным методам микрообработки; однако его внутренняя жесткость часто ограничивает возможности устройств с движущимися частями.
В исследовании, проведенном учеными из штата Огайо, сравнивались параметры адгезии и трения монокристаллического кремния со слоем естественного оксида с покрытием из PDMS. PDMS - это силиконовый эластомер, который легко регулируется механически, химически инертен, термически стабилен, проницаем для газов, прозрачный, нефлуоресцентный, биосовместимый и нетоксичный. Присущий полимерам модуль Юнга PDMS может изменяться более чем на два порядка за счет изменения степени сшивания полимерных цепей, что делает его жизнеспособным материалом для NEMS и биологических приложений. PDMS может образовывать плотное уплотнение с силиконом и, таким образом, легко интегрируется в технологию NEMS, оптимизируя как механические, так и электрические свойства. Полимеры, такие как PDMS, начинают привлекать внимание в NEMS из-за их сравнительно недорогих, упрощенных и эффективных по времени прототипов и производства.
Было установлено, что время покоя напрямую коррелирует с силой сцепления, а повышенная относительная влажность приводит к увеличению силы сцепления для гидрофильных полимеров. Измерения краевого угла и вычисления силы Лапласа подтверждают характеристику гидрофобной природы PDMS, что, как и ожидалось, соответствует его экспериментально подтвержденной независимости от относительной влажности. Силы адгезии PDMS также не зависят от времени покоя, способны гибко работать в различных условиях относительной влажности и обладают более низким коэффициентом трения, чем у кремния. Покрытия PDMS способствуют устранению проблем, связанных с высокой скоростью, например предотвращению скольжения. Таким образом, трение на контактных поверхностях остается низким даже при достаточно высоких скоростях. Фактически, в микромасштабе трение уменьшается с увеличением скорости. Гидрофобность и низкий коэффициент трения PDMS привели к тому, что его потенциал может быть включен в эксперименты NEMS, которые проводятся при различной относительной влажности и высоких относительных скоростях скольжения.
Пьезорезистивная диафрагма наноэлектромеханических систем с покрытием из ПДМС
PDMS часто используется в технологии NEMS. Например, покрытие PDMS на диафрагме можно использовать для обнаружения паров хлороформа.
Исследователи из Национального университета Сингапура изобрели диафрагму наноэлектромеханической системы с покрытием из полидиметилсилоксана (ПДМС), залитую кремниевыми нанопроводами (SiNW), для обнаружения паров хлороформа при комнатной температуре. В присутствии паров хлороформа пленка PDMS на микродиафрагме поглощает молекулы пара и, следовательно, увеличивается в размерах, что приводит к деформации микродиафрагмы. КНН, имплантированные в микродиафрагму, соединены мостом Уитстона, который преобразует деформацию в количественное выходное напряжение. Кроме того, датчик с микродиафрагмой также демонстрирует низкую стоимость обработки при низком энергопотреблении. Он обладает большим потенциалом масштабируемости, сверхкомпактностью и совместимостью с процессами CMOS-IC. Путем переключения слоя абсорбирующего пар полимера можно применять аналогичные методы, которые теоретически должны обеспечивать обнаружение других органических паров.
В дополнение к присущим ему свойствам, обсуждаемым в разделе «Материалы», PDMS можно использовать для поглощения хлороформа, эффекты которого обычно связаны с набуханием и деформацией микродиафрагмы; В этом исследовании также измерялись различные органические пары. При хорошей устойчивости к старению и надлежащей упаковке скорость разложения PDMS в ответ на нагревание, свет и излучение может быть снижена.
Биогибридные НЭМС
Возникающая область биогибридных систем объединяет биологические и синтетические структурные элементы для биомедицинских или роботизированных приложений. Составные элементы био-наноэлектромеханических систем (BioNEMS) имеют наноразмерный размер, например ДНК, белки или наноструктурированные механические части. Примеры включают легкое нисходящее наноструктурирование тиоленовых полимеров для создания сшитых и механически прочных наноструктур, которые впоследствии функционализируются с помощью белков.
Симуляторы
Компьютерное моделирование уже давно является важным аналогом экспериментальных исследований устройств NEMS. С помощью механики сплошной среды и молекулярной динамики (МД) важное поведение устройств NEMS можно предсказать с помощью компьютерного моделирования до начала экспериментов. Кроме того, сочетание методов континуума и MD позволяет инженерам эффективно анализировать стабильность устройств NEMS, не прибегая к ультратонким сеткам и трудоемким симуляциям. У моделирования есть и другие преимущества: они не требуют времени и опыта, связанных с изготовлением устройств NEMS; они могут эффективно предсказывать взаимосвязанные роли различных электромеханических эффектов; и параметрические исследования могут быть проведены довольно легко по сравнению с экспериментальными подходами. Например, вычислительные исследования предсказали распределение заряда и электромеханические характеристики «втягивания» устройств NEMS. Использование моделирования для прогнозирования механического и электрического поведения этих устройств может помочь оптимизировать конструктивные параметры устройства NEMS.
Надежность и жизненный цикл NEMS
Надежность и проблемы
Надежность обеспечивает количественную оценку целостности и работоспособности компонента без сбоев в течение указанного срока службы продукта. Отказ устройств NEMS может быть объяснен множеством источников, таких как механические, электрические, химические и тепловые факторы. Выявление механизмов отказа, повышение производительности, нехватка информации и проблемы воспроизводимости были определены как основные проблемы на пути к достижению более высоких уровней надежности для устройств NEMS. Такие проблемы возникают как на этапах производства (т. Е. Обработка пластин, упаковка, окончательная сборка), так и на стадиях постпроизводства (т. Е. Транспортировка, логистика, использование).
Упаковка
Проблемы с упаковкой часто составляют 75–95% общих затрат на MEMS и NEMS. Факторы нарезки пластин, толщина устройства, последовательность окончательного высвобождения, тепловое расширение, изоляция от механических напряжений, рассеяние мощности и тепла, минимизация ползучести, изоляция среды и защитные покрытия учитываются при разработке упаковки для согласования с конструкцией компонента MEMS или NEMS. . Анализ расслоения, анализ движения и испытание на срок службы использовались для оценки методов инкапсуляции на уровне пластины, например, от крышки к пластине, от пластины к пластине и инкапсуляции тонкой пленки. Методы инкапсуляции на уровне пластины могут привести к повышению надежности и увеличению выхода как микро-, так и наноустройств.
Производство
Оценка надежности NEMS на ранних этапах производственного процесса имеет важное значение для повышения урожайности. Формы поверхностных сил, такие как сила сцепления и электростатические силы, в значительной степени зависят от топографии поверхности и геометрии контакта. Селективное производство нанотекстурированных поверхностей уменьшает площадь контакта, улучшая как адгезию, так и характеристики трения для NEMS. Кроме того, нанесение нанопокрытия на сконструированные поверхности увеличивает гидрофобность, что приводит к снижению как адгезии, так и трения.
Адгезией и трением также можно управлять с помощью нанонарисовки, чтобы отрегулировать шероховатость поверхности для соответствующих применений устройства NEMS. Исследователи из Университета штата Огайо использовали атомно-силовую микроскопию / микроскопию силы трения (AFM / FFM), чтобы изучить влияние наноразмеров на гидрофобность, адгезию и трение для гидрофильных полимеров с двумя типами шероховатостей с рисунком (низкое соотношение сторон и высокое соотношение сторон). Было обнаружено, что шероховатость на гидрофильных поверхностях по сравнению с гидрофобными поверхностями имеет обратно коррелированные и прямо коррелированные отношения соответственно.
Из-за большого отношения площади поверхности к объему и чувствительности адгезия и трение могут снизить производительность и надежность устройств NEMS. Эти трибологические проблемы возникают из-за естественного уменьшения размеров этих инструментов; однако систему можно оптимизировать, манипулируя конструкционным материалом, поверхностными пленками и смазкой. По сравнению с пленками из нелегированного Si или поликремния, пленки SiC обладают самым низким выходом на трение, что приводит к повышенной стойкости к царапинам и улучшенным функциональным возможностям при высоких температурах. Покрытия из твердого алмазоподобного углерода (DLC) помимо химического и электрического сопротивления обладают низким коэффициентом трения, высокой твердостью и износостойкостью. Шероховатость, фактор, снижающий смачивание и повышающий гидрофобность, может быть оптимизирован за счет увеличения угла смачивания для уменьшения смачивания и обеспечения низкой адгезии и взаимодействия устройства с окружающей средой.
Свойства материала зависят от размера. Следовательно, анализ уникальных характеристик НЭМС и наноразмерных материалов становится все более важным для сохранения надежности и долгосрочной стабильности устройств НЭМС. Некоторые механические свойства, такие как твердость, модуль упругости и испытания на изгиб, для наноматериалов определяются с помощью наноиндентора на материале, который прошел производственные процессы. Эти измерения, однако, не учитывают, как устройство будет работать в промышленности при длительных или циклических нагрузках и деформациях. Тета-структура - это модель NEMS, которая демонстрирует уникальные механические свойства. Структура, состоящая из Si, обладает высокой прочностью и способна концентрировать напряжения в наномасштабе для измерения определенных механических свойств материалов.
Остаточные напряжения
Для повышения надежности структурной целостности все более актуальным становится определение характеристик как структуры материала, так и внутренних напряжений в соответствующих масштабах длины. Эффекты остаточных напряжений включают, но не ограничиваются ими, разрушение, деформацию, расслоение и наноразмерные структурные изменения, которые могут привести к сбою в работе и физическому износу устройства.
Остаточные напряжения могут влиять на электрические и оптические свойства. Например, в различных фотоэлектрических и светоизлучающих диодах (СИД) энергии запрещенной зоны полупроводников можно регулировать соответствующим образом за счет эффектов остаточного напряжения.
Атомно-силовая микроскопия (АСМ) и спектроскопия комбинационного рассеяния могут использоваться для характеристики распределения остаточных напряжений на тонких пленках с точки зрения визуализации силового объема, топографии и силовых кривых. Кроме того, остаточное напряжение можно использовать для измерения температуры плавления наноструктур с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и температурно-зависимой дифракции рентгеновских лучей (XRD).
Будущее
Основные препятствия, мешающие коммерческому применению многих устройств NEMS, включают низкую производительность и высокую изменчивость качества устройств. Прежде чем устройства NEMS могут быть фактически реализованы, необходимо создать разумную интеграцию продуктов на основе углерода. Недавний шаг в этом направлении был продемонстрирован для алмаза, достигнув уровня обработки, сопоставимого с уровнем кремния. В настоящее время акцент смещается от экспериментальной работы к практическим приложениям и структурам устройств, которые будут реализовывать и извлекать выгоду из таких новых устройств. Следующая задача, которую необходимо преодолеть, включает понимание всех свойств этих инструментов на основе углерода и использование этих свойств для создания эффективных и долговечных NEMS с низким уровнем отказов.
Материалы на основе углерода служили основными материалами для использования NEMS из-за их исключительных механических и электрических свойств.
По прогнозам, к 2022 году мировой рынок NEMS достигнет 108,88 млн долларов.
Приложения
Наноэлектромеханическое реле
Масс-спектрометр наноэлектромеханических систем
Консоли на основе наноэлектромеханики
Исследователи из Калифорнийского технологического института разработали кантилевер на основе NEM с механическими резонансами вплоть до очень высоких частот (VHF). Использование электронных датчиков смещения на основе пьезорезистивной тонкой металлической пленки обеспечивает однозначное и эффективное считывание показаний с наноустройства. Функционализация поверхности устройства с использованием тонкого полимерного покрытия с высоким коэффициентом разделения для целевых частиц позволяет кантилеверам на основе NEMS обеспечивать измерения хемосорбции при комнатной температуре с разрешением по массе менее одного аттограмма. Дополнительные возможности кантилеверов на основе NEMS были использованы для приложений датчиков, сканирующих зондов и устройств, работающих на очень высокой частоте (100 МГц).