سیستم‌های نانوالکترومکانیکی

تصویر: تصویر نانو روبات های ضد سرطان

NEMS مرحله کوچک سازی منطقی بعد از سیستم های به اصطلاح میکروالکترومکانیکی یا دستگاه های MEMS (microelectromechanical systems) را تشکیل می دهد. NEMS معمولاً نانوالکترونیک‌های ترانزیستور مانند را با محرک‌های مکانیکی، پمپ‌ها یا موتورها ادغام می‌کند و در نتیجه ممکن است حسگرهای فیزیکی، بیولوژیکی و شیمیایی را تشکیل دهد. این نام از ابعاد دستگاه معمولی در محدوده نانومتری گرفته شده است که منجر به جرم کم، فرکانس‌های تشدید مکانیکی بالا، اثرات مکانیکی کوانتومی بالقوه بزرگ مانند حرکت نقطه صفر و نسبت سطح به حجم بالا برای مکانیسم‌های سنجش سطحی مفید می‌شود. کاربردها شامل شتاب سنج ها و حسگرها برای تشخیص مواد شیمیایی موجود در هوا است.
 

تاریخچه

زمینه

همانطور که ریچارد فاینمن در سخنرانی معروف خود در سال 1959 اشاره کرد، "در پایین، فضای زیادی وجود دارد"، کاربردهای بالقوه زیادی از ماشین ها در اندازه های کوچکتر و کوچکتر وجود دارد. با ساخت و کنترل دستگاه‌هایی در مقیاس‌های کوچک‌تر، همه فناوری‌ها سود می‌برند. مزایای مورد انتظار شامل راندمان بیشتر و کاهش اندازه، کاهش مصرف برق و هزینه کمتر تولید در سیستم های الکترومکانیکی است.
 
در سال 1960، محمد ام. آتالا و داون کهنگ در آزمایشگاه بل، اولین ماسفت را با ضخامت اکسید دروازه ای 100 نانومتر ساختند. در سال 1962، Atalla و Kahng یک ترانزیستور نانولایه-پایه اتصال فلز-نیمه هادی (اتصال M-S) ساختند که از لایه های نازک طلا (Au) با ضخامت 10 نانومتر استفاده می کرد. در سال 1987، بیژن داوری یک تیم تحقیقاتی IBM را رهبری کرد که اولین ماسفت را با ضخامت اکسید 10 نانومتر نشان داد. ماسفت‌های چند گیت مقیاس‌گذاری زیر طول کانال 20 نانومتری را فعال می‌کنند که با FinFET شروع می‌شود. FinFET از تحقیقات دیگ هیساموتو در آزمایشگاه تحقیقاتی مرکزی هیتاچی در سال 1989 سرچشمه می گیرد. در دانشگاه کالیفرنیا برکلی، گروهی به رهبری هیساموتو و Chenming Hu از TSMC، دستگاه‌های FinFET را تا طول کانال 17 نانومتر در سال 1998 ساختند.
 

NEMS

در سال 2000، اولین دستگاه NEMS در مقیاس بسیار بزرگ توسط محققان IBM نشان داده شد. فرض آن آرایه ای از نوک های AFM بود که می تواند یک بستر قابل تغییر شکل را گرم/حس کند تا به عنوان یک دستگاه حافظه عمل کند. دستگاه های بیشتری توسط استفان دی هان شرح داده شده است. در سال 2007، نقشه راه فنی بین المللی برای نیمه هادی ها (ITRS) در بر دارنده حافظه NEMS به عنوان ورودی جدید برای بخش دستگاه های تحقیقاتی نوظهور بود.
 

میکروسکوپ نیروی اتمی

یکی از کاربردهای کلیدی NEMS نوک های میکروسکوپ نیروی اتمی است. افزایش حساسیت به دست آمده توسط NEMS منجر به حسگرهای کوچکتر و کارآمدتر برای تشخیص تنش ها، ارتعاشات، نیروها در سطح اتمی و سیگنال های شیمیایی می شود. نوک های AFM و سایر تشخیص ها در مقیاس نانو به شدت به NEMS متکی هستند.
 

رویکردهای کوچک سازی

دو رویکرد مکمل برای ساخت NEMS را می توان یافت. رویکرد بالا به پایین از روش‌های ریزساخت سنتی، یعنی لیتوگرافی نوری، پرتو الکترونی و عملیات حرارتی برای تولید دستگاه‌ها استفاده می‌کند. در حالی که با وضوح این روش ها محدود است، اجازه می دهد تا درجه زیادی از کنترل بر ساختارهای به دست آمده را داشته باشید. به این ترتیب وسایلی مانند نانوسیم‌ها، نانومیله‌ها و نانوساختارهای طرح‌دار از لایه‌های نازک فلزی یا لایه‌های نیمه‌رسانای حکاکی شده ساخته می‌شوند. برای رویکردهای بالا به پایین، افزایش نسبت سطح به حجم، واکنش پذیری نانومواد را افزایش می دهد.
 
در مقابل، رویکردهای پایین به بالا، از خواص شیمیایی مولکول‌های منفرد استفاده می‌کنند تا باعث شوند که اجزای تک مولکولی به خود سازماندهی یا خودآرایی به سمت مؤلفه های مفید بپردازند، یا به مونتاژ موقعیتی تکیه کنند. این رویکردها از مفاهیم خودآرایی مولکولی و/یا تشخیص مولکولی استفاده می کنند. این امکان ساخت سازه های بسیار کوچکتر را فراهم می کند، البته اغلب به قیمت کنترل محدود فرآیند ساخت. علاوه بر این، در حالی که مواد باقیمانده از ساختار اصلی برای رویکرد از بالا به پایین حذف می شوند، حداقل مواد برای رویکرد پایین به بالا حذف یا هدر می رود.
 
ترکیبی از این رویکردها نیز ممکن است مورد استفاده قرار گیرد که در آن مولکول‌های نانومقیاس در یک چارچوب از بالا به پایین ادغام می‌شوند. یکی از این نمونه ها نانوموتور نانولوله کربنی است.
 

مواد

آلوتروپ های کربن

بسیاری از مواد متداول مورد استفاده برای فناوری NEMS بر پایه کربن هستند، به ویژه الماس، نانولوله های کربنی و گرافن. این عمدتاً به دلیل خواص مفید مواد مبتنی بر کربن است که مستقیماً نیازهای NEMS را برآورده می کند. خواص مکانیکی کربن (مانند مدول بزرگ یانگ) برای پایداری NEMS اساسی است در حالی که رسانایی فلزی و نیمه هادی مواد مبتنی بر کربن به آنها اجازه می دهد تا به عنوان ترانزیستور عمل کنند.
 
گرافن و الماس هر دو مدول یانگ بالا، چگالی کم، اصطکاک کم، اتلاف مکانیکی بسیار کم، و سطح بزرگ را نشان می دهند. اصطکاک کم CNT ها، امکان یاتاقان های عملاً بدون اصطکاک را فراهم می کند و بنابراین انگیزه بزرگی برای کاربردهای عملی CNT ها به عنوان عناصر سازنده در NEMS، مانند نانوموتورها، سوئیچ ها، و نوسانگرهای فرکانس بالا بوده است. نانولوله‌های کربنی و استحکام فیزیکی گرافن به مواد مبتنی بر کربن اجازه می‌دهد تا نیازهای استرس بالاتری را برآورده کنند، که این زمانی است که مواد معمولی معمولاً از کار می‌افتند و بنابراین بیشتر از استفاده از آنها به عنوان مواد اصلی در توسعه فناوری NEMS پشتیبانی می‌کنند.
 
در کنار مزایای مکانیکی مواد مبتنی بر کربن، خواص الکتریکی نانولوله‌های کربنی و گرافن امکان استفاده از آن را در بسیاری از اجزای الکتریکی NEMS فراهم می‌کند. نانوترانزیستورها هم برای نانولوله‌های کربنی و هم برای گرافن توسعه داده شده‌اند. ترانزیستورها یکی از بلوک های اساسی برای همه دستگاه های الکترونیکی هستند، بنابراین با توسعه مؤثر ترانزیستورهای قابل استفاده، نانولوله های کربنی و گرافن هر دو برای NEMS بسیار حیاتی هستند.
 
تشدید کننده های نانومکانیکی اغلب از گرافن ساخته می شوند. از آنجایی که تشدید کننده های NEMS از نظر اندازه کوچک می شوند، یک روند کلی برای کاهش فاکتور کیفیت در نسبت معکوس نسبت سطح به حجم وجود دارد. با این حال، با وجود این چالش، به طور تجربی ثابت شده است که به ضریب کیفیت تا 2400 می رسد. فاکتور کیفیت، خلوص لحن ارتعاشات تشدید کننده را توصیف می کند. علاوه بر این، از نظر تئوری پیش‌بینی شده است که بستن غشاهای گرافن در همه طرف‌ها باعث افزایش اعداد کیفیت می‌شود. NEMS گرافن همچنین می تواند به عنوان حسگر جرم، نیرو، و موقعیت عمل کند.
 

نانولوله های کربنی فلزی

نانولوله‌های کربنی (CNTها) آلوتروپ‌های کربن با ساختار استوانه‌ای هستند. آنها را می توان یک گرافن رول شده در نظر گرفت. هنگامی که در زوایای خاص و گسسته ("کاایرال") نورد می شود، ترکیب زاویه نورد و شعاع تعیین می کند که آیا نانولوله دارای شکاف نواری (نیمه رسانا) است یا بدون شکاف نواری (فلزی).
 
نانولوله‌های کربنی فلزی همچنین برای اتصالات نانوالکترونیکی پیشنهاد شده‌اند، زیرا می‌توانند چگالی جریان بالایی را حمل کنند. این یک ویژگی مفید است زیرا سیم ها برای انتقال جریان یکی دیگر از اجزای اساسی ساختمان هر سیستم الکتریکی هستند. نانولوله‌های کربنی به‌طور خاص کاربرد زیادی در NEMSهایی پیدا کرده‌اند که قبلاً در آنها روش‌هایی برای اتصال نانولوله‌های کربنی معلق به نانوساختارهای دیگر کشف شده است. این امر به نانولوله های کربنی اجازه می دهد تا سیستم های نانوالکتریک پیچیده ای را تشکیل دهند. از آنجایی که محصولات مبتنی بر کربن می توانند به درستی کنترل شوند و به عنوان اتصالات و همچنین ترانزیستور عمل کنند، به عنوان یک ماده اساسی در اجزای الکتریکی NEMS عمل می کنند.
 

سوئیچ های NEMS مبتنی بر CNT

یکی از معایب اصلی سوئیچ های MEMS نسبت به سوئیچ های NEMS، سرعت سوئیچینگ محدوده میکروثانیه ای محدود MEMS است که عملکرد برنامه های با سرعت بالا را مختل می کند. محدودیت‌های سرعت سوئیچینگ و ولتاژ محرک را می‌توان با کاهش مقیاس دستگاه‌ها از مقیاس میکرو به نانومتر برطرف کرد. مقایسه پارامترهای عملکرد بین سوئیچ‌های NEMS مبتنی بر نانولوله کربنی (CNT) با همتای خود CMOS نشان داد که سوئیچ‌های NEMS مبتنی بر CNT عملکرد را در سطوح پایین‌تر مصرف انرژی حفظ می‌کنند و جریان نشتی زیرآستانه‌ای دارند که چندین مرتبه کوچک‌تر از سوئیچ‌های CMOS هستند. NEMS مبتنی بر CNT با ساختارهای مضاعف به عنوان راه‌حل‌های بالقوه برای کاربردهای حافظه غیرفرار دروازه شناور مورد مطالعه قرار می‌گیرد.
 

مشکلات

علیرغم تمام خواص مفید نانولوله های کربنی و گرافن برای فناوری NEMS، هر دوی این محصولات با موانع متعددی برای اجرای خود مواجه هستند. یکی از مشکلات اصلی واکنش کربن به محیط های واقعی است. نانولوله های کربنی هنگامی که در معرض اکسیژن قرار می گیرند، تغییرات زیادی در خواص الکترونیکی از خود نشان می دهند. به طور مشابه، سایر تغییرات در ویژگی های الکترونیکی و مکانیکی مواد مبتنی بر کربن باید قبل از اجرای آنها به طور کامل بررسی شوند، به ویژه به دلیل سطح بالای آنها که به راحتی می تواند با محیط های اطراف واکنش نشان دهد. همچنین مشخص شد که نانولوله‌های کربنی رسانایی متفاوتی دارند، بسته به فلزی یا نیمه رسانا بودن و بسته به مارپیچ بودن آنها در هنگام پردازش. به همین دلیل، باید در طول پردازش، درمان ویژه ای با نانولوله ها انجام شود تا اطمینان حاصل شود که همه نانولوله ها دارای رسانایی مناسب هستند. گرافن همچنین دارای خواص رسانایی الکتریکی پیچیده‌ای در مقایسه با نیمه‌هادی‌های سنتی است، زیرا فاقد شکاف باند انرژی است و اساساً تمام قوانین نحوه حرکت الکترون‌ها از طریق یک دستگاه مبتنی بر گرافن را تغییر می‌دهد. این بدان معنی است که ساخت و سازهای سنتی دستگاه های الکترونیکی احتمالاً کار نمی کنند و باید معماری های کاملاً جدیدی برای این دستگاه های الکترونیکی جدید طراحی شود.
 

شتاب سنج نانوالکترومکانیکی

ویژگی‌های مکانیکی و الکترونیکی گرافن آن را برای ادغام با شتاب‌سنج‌های NEMS، مانند حسگرهای کوچک و محرک‌های سیستم‌های پایش قلب و ضبط حرکت سیار، مطلوب کرده است. ضخامت مقیاس اتمی گرافن مسیری را برای شتاب‌سنج‌ها فراهم می‌کند تا از مقیاس میکرو به مقیاس نانو کوچک شوند و در عین حال سطوح حساسیت مورد نیاز سیستم را حفظ کنند.
 
با تعلیق یک جرم ضد سیلیکون بر روی یک نوار گرافن دو لایه، می توان یک مبدل جرمی فنری و پیزومقاومتی در مقیاس نانو با قابلیت مبدل های تولید شده فعلی در شتاب سنج ها ساخت. جرم فنر دقت بیشتری را ارائه می دهد و خواص پیزومقاومتی گرافن، فشار را از شتاب به سیگنال های الکتریکی برای شتاب سنج تبدیل می کند. نوار گرافن معلق به طور همزمان فنر و مبدل پیزومقاومتی را تشکیل می‌دهد و در عین حال عملکرد شتاب‌سنج‌های NEMS را بهبود می‌بخشد.
 

پلی دی متیل سیلوکسان (PDMS)

خرابی های ناشی از چسبندگی و اصطکاک زیاد برای بسیاری از NEMS نگران کننده است. NEMS اغلب از سیلیکون به دلیل تکنیک های ریزماشین کاری مشخص استفاده می کند. با این حال، سختی ذاتی آن اغلب مانع از توانایی دستگاه های دارای قطعات متحرک می شود.
 
مطالعه ای که توسط محققان ایالت اوهایو انجام شد، پارامترهای چسبندگی و اصطکاک یک سیلیکون تک کریستالی را با لایه اکسید بومی در برابر پوشش PDMS مقایسه کرد. PDMS یک الاستومر سیلیکونی است که از نظر مکانیکی بسیار قابل تنظیم، از نظر شیمیایی بی اثر، از نظر حرارتی پایدار، قابل نفوذ در برابر گازها، شفاف، غیر فلورسنت، زیست سازگار و غیر سمی است. این ذاتی پلیمرهاست که مدول یانگ PDMS می‌تواند با دستکاری در میزان اتصال عرضی زنجیره‌های پلیمری بیش از دو مرتبه متفاوت باشد و آن را به ماده‌ای قابل دوام در NEMS و کاربردهای بیولوژیکی تبدیل کند. PDMS می تواند یک مهر و موم محکم با سیلیکون ایجاد کند و بنابراین به راحتی با فناوری NEMS ادغام شود و خواص مکانیکی و الکتریکی را بهینه کند. پلیمرهایی مانند PDMS به دلیل نمونه سازی و ساخت نسبتاً ارزان، ساده و با زمان کارآمد در NEMS شروع به جلب توجه می کنند.
 
مشخص شده است که زمان استراحت به طور مستقیم با نیروی چسب ارتباط دارد، و افزایش رطوبت نسبی منجر به افزایش نیروهای چسب برای پلیمرهای آبدوست می شود. اندازه‌گیری‌های زاویه تماس و محاسبات نیروی لاپلاس از توصیف ماهیت آبگریز PDMS پشتیبانی می‌کنند، که انتظار می‌رود با استقلال تأیید شده تجربی آن نسبت به رطوبت نسبی مطابقت داشته باشد. نیروهای چسب PDMS همچنین مستقل از زمان استراحت هستند، قادر به عملکرد همه کاره در شرایط مختلف رطوبت نسبی هستند و دارای ضریب اصطکاک کمتری نسبت به سیلیکون هستند. پوشش‌های PDMS کاهش مشکلات سرعت بالا مانند جلوگیری از لغزش را تسهیل می‌کنند. بنابراین، اصطکاک در سطوح تماس حتی در سرعت های بسیار بالا کم می ماند. در واقع در مقیاس میکرو، اصطکاک با افزایش سرعت کاهش می یابد. آبگریز بودن و ضریب اصطکاک کم PDMS باعث شده است که پتانسیل آن برای گنجاندن در آزمایش‌های NEMS که در رطوبت‌های نسبی متفاوت و سرعت‌های لغزش نسبی بالا انجام می‌شوند، بیشتر شود.
 

دیافراگم سیستم های نانوالکترومکانیکی پیزومقاومتی با پوشش PDMS

از PDMS اغلب در فناوری NEMS استفاده می شود. به عنوان مثال، پوشش PDMS روی دیافراگم می تواند برای تشخیص بخار کلروفرم استفاده شود.
 
محققان دانشگاه ملی سنگاپور یک دیافراگم سیستم نانو الکترومکانیکی پوشش داده شده با پلی دی متیل سیلوکسان (PDMS) را اختراع کردند که با نانوسیم های سیلیکونی (SiNWs) تعبیه شده بود تا بخار کلروفرم را در دمای اتاق تشخیص دهد. در حضور بخار کلروفرم، فیلم PDMS روی میکرو دیافراگم، مولکول‌های بخار را جذب می‌کند و در نتیجه بزرگ می‌شود و منجر به تغییر شکل میکرو دیافراگم می‌شود. SiNWهای کاشته شده در میکرو دیافراگم در یک پل Wheatstone متصل می شوند که تغییر شکل را به یک ولتاژ خروجی کمی تبدیل می کند. علاوه بر این، سنسور میکرو دیافراگم نیز پردازش کم هزینه را در مصرف انرژی کم نشان می دهد. دارای پتانسیل بالایی برای مقیاس پذیری، ردپای فوق فشرده و سازگاری با فرآیند CMOS-IC است. با تغییر لایه پلیمری جذب بخار، می توان روش های مشابهی را به کار برد که از نظر تئوری باید قادر به تشخیص سایر بخارات آلی باشند.
 

ماشین های بیولوژیکی

ماشین‌های بیولوژیکی، مانند میوزین (کنترل انقباض عضلانی)، پیچیده‌ترین ماشین‌های ماکرومولکولی هستند که در سلول‌ها یافت می‌شوند، معمولاً به شکل کمپلکس‌های چند پروتئینی.
 
برخی از آنها مسئول تولید انرژی و برخی دیگر برای بیان ژن هستند. آنها ممکن است نقش مهمی در نانوپزشکی داشته باشند. به عنوان مثال، آنها می توانند برای شناسایی و از بین بردن سلول های تومور استفاده شوند.
 
نانوتکنولوژی مولکولی یک حوزه نوظهور از فناوری نانو است که امکان مهندسی ماشین‌های بیولوژیکی را بررسی می‌کند که می‌توانند مواد را در مقیاس اتمی بازآرایی کنند. BioNEMS شامل عناصر ساختاری بیولوژیکی و مصنوعی (در اندازه نانو) برای کاربردهای زیست پزشکی/روباتیک است. برای مثال، نانوروبات‌ها را می‌توان برای شناسایی و ترمیم عفونت‌ها به بدن تزریق کرد.
 
در حالی که عناصر پیشنهادی BioNEMS، مانند نانوروبات‌ها و مونتاژکننده‌های مولکولی، بسیار فراتر از قابلیت‌های کنونی هستند، چندین مطالعه نتایج امیدوارکننده‌ای را برای کاربردهای آینده به دست آورده‌اند.
 
NEMS به عنوان یک فناوری توانمند عمل می کند و علوم زیستی را با مهندسی به روش هایی ادغام می کند که در حال حاضر با تکنیک های مقیاس کوچک امکان پذیر نیست. این تأثیر قابل توجهی در صنایع مختلف خواهد داشت از جمله در صنعت نیمه هادی. پرکاربردترین دستگاه نیمه هادی ماسفت است که 99.9 درصد کل ترانزیستورها را تشکیل می دهد. با در نظر گرفتن طول دروازه ترانزیستورها در دستگاه های CPU یا DRAM، مقیاس طول بحرانی مدارهای مجتمع در حال حاضر زیر 50 نانومتر است. ماسفت های سیلیکونی اخیر بر پایه ترانزیستورهای اثر میدانی باله ای هستند که از فرآیندهای 10 و 7 نانومتری استفاده می کنند.
 
منبع: وارون کومار، rankred