Кіріспе

Наноөлшедегі функционалды құрылғылар класы. Наноэлектромеханикалық жүйелер (NEMS) – наноөлшеде электрлік және механикалық функционалдылықты интеграциялайтын құрылғылар класы. NEMS – микроэлектромеханикалық жүйелер, яки MEMS құрылғыларынан кейінгі логикалық кішірейту қадамы болып табылады. NEMS құрылғыларында көбінесе транзисторлар сияқты наноэлектроника механикалық иекелгіштермен, сорғылармен немесе моторлармен біріктіріледі, соның нәтижесінде физикалық, биологиялық және химиялық сенсорлар құрылуы мүмкін. Атауы құрылғының нанометрлік диапазондағы мөлшерінен шығады, бұл төмен массаға, жоғары механикалық резонанс жиіліктеріне, нөлдік қозғалыс сияқты ықтимал үлкен кванттық механикалық эффектілерге және беттік сезімдеу механизмдері үшін пайдалы жоғары беттік-көлемдік қатынасқа алып келеді. Қолданылу аймақтарына ауадағы химиялық заттарды анықтауға арналған акселерометрлер мен сенсорлар жатады.

Өмірбаян

Ричард Фейнманның 1959 жылы "Төменде кеңістік жетерлік" деген атақты баяндамасында айтқандай, машиналардың өте кішкентай өлшемдерде көптеген қолданысқа ие болу мүмкіндіктері бар; кішкентай масштабта құрылғыларды жасау және басқару арқылы барлық технологияның артықшылықтары артады. Күтілетін артықшылықтарға электрмеханикалық жүйелерде тиімділік пен өлшемді азайту, қуат тұтынуды төмендету және өндіріс шығындарын қысқарту кіреді. 1962 жылы Атала мен Канг 10 нм қалыңдықтағы алтын (Au) жұқа пленкаларын қолданатын наноқабатты металл-жартылай өткізгіш (МЖӨ) транзисторын жасады. 1987 жылы Бижан Давари IBM зерттеу тобын басқарып, 10 нм оксид қалыңдығы бар алғашқы MOSFET-ті жасады. Көп есікті MOSFET-тер FinFET-тен бастап, 20 нм арна ұзындығынан төмен масштабтауға мүмкіндік берді. Беркли университетінде Хисамото және TSMC-нің Ченмин Ху басқаратын топ 1998 жылы FinFET құрылғыларын 17 нм арна ұзындығына дейін жасады.

NEMS

2000 жылы IBM зерттеушілері алғашқы өте ірі масштабтағы интеграцияланған (VLSI) NEMS құрылғысын көрсетті. Оның қағидасы – жады құрылғысы ретінде жұмыс істеу үшін деформацияланатын негізді қыздыра және сезуге қабілетті AFM ұштарының массиві (Millipede жады). Стефан де Хаан одан әрі құрылғыларды сипаттады. 2007 жылы International Technical Roadmap for Semiconductors (ITRS) құрамына NEMS жады жаңа зерттеу құрылғылары бөліміне енгізілді.

Атомдық күш микроскопиясы

NEMS-тің маңызды қолданысы атомдық күш микроскопының ұштары болып табылады. NEMS-тің күшейтілген сезімталдығы атомдық деңгейдегі кернеулерді, дірілдерді, күштерді және химиялық сигналдарды анықтауға арналған кішірек және тиімді сенсорларды жасауға мүмкіндік береді. Атомдық күш микроскопының ұштары және наноөлшемдегі басқа да анықтаулар NEMS-ке көп көңіл бөледі.

Миниатюризацияға қатысты тәсілдер

NEMS-ті жасаудың екі толықтыратын тәсілі бар: жоғарыдан төменге және төменнен жоғарыға қарай. Жоғарыдан төменге қарай жасау әдісі құрылғыларды өндіру үшін дәстүрлі микроөндіру әдістерін – яғни оптикалық, электронды сәулелі литография және термиялық өңдеуді пайдаланады. Бұл әдістердің ажыратымдылығымен шектелгенімен, ол жасалған құрылымдарды бақылаудың жоғары дәрежесін қамтамасыз етеді. Осылайша, металл жұқа пленкалардан немесе қазылған жартылай өткізгіш қабаттардан наносымдар, наноқұбырлар және өрнекті наноқұрылымдар жасалады. Жоғарыдан төменге қарай жасау әдістерінде беттік ауданы мен көлемінің арақатынасын арттыру наноматериалдардың реакциялық қабілетін жақсартады. Сонымен қатар, наноөлшемді молекулалар жоғарыдан төменге қарай құрылымға енгізілетін осы тәсілдердің комбинациясы да қолданылуы мүмкін. Көміртекті наноқұбыршалы наномотор – мұндай мысалдың бірі.

Көміртек аллотроптары

NEMS технологиясы үшін жиі қолданылатын көптеген материалдар көміртек негізді, атап айтқанда алмаз, көміртек нанотүтікшелер және графен. Бұл негізінен көміртек негізді материалдардың пайдалы қасиеттеріне байланысты, олар тікелей NEMS қажеттіліктерін қанағаттандырады. Көміртектың механикалық қасиеттері (мысалы, жоғары Янг модулі) NEMS тұрақтылығы үшін өте маңызды, ал көміртек негізді материалдардың металл және жартылай өткізгіштік қасиеттері оларды транзисторлар ретінде жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Графен де, алмаз да жоғары Янг модуліне, төмен тығыздыққа, төмен үйкеліске, өте төмен механикалық шығындарға ие. Көміртек нанотүтікшелердің төмен үйкелісі іс жүзінде үйкеліссіз подшипниктерді жасауға мүмкіндік береді, сондықтан да NEMS құрамдас бөліктері ретінде көміртек нанотүтікшелерін наномоторлар, коммутаторлар және жоғары жиілікті осцилляторлар сияқты практикалық қолдануға үлкен ынталандыру болды. Көміртек негізді материалдардың механикалық артықшылықтарымен қатар, көміртек нанотүтікшелер мен графеннің электрлік қасиеттері оларды NEMS-тің көптеген электрлік компоненттерінде пайдалануға мүмкіндік береді. Көміртек нанотүтікшелері мен графен үшін де нанотранзисторлар жасалған. Транзисторлар – барлық электрондық құрылғылардың негізгі құрылыс блоктарының бірі, сондықтан тиімді қолданылатын транзисторларды жасау арқылы көміртек нанотүтікшелері мен графен NEMS үшін өте маңызды. Наномеханикалық резонаторлар көбінесе графеннен жасалады. NEMS резонаторларының өлшемі кішірейгенде, сапа факторының беттік ауданына шағылысқан көлемге кері пропорционалды түрде төмендеуі байқалады. Алайда, осы қиындыққа қарамастан, тәжірибе жүзінде 2400-ге дейін сапа факторына жету мүмкіндігі дәлелденді. Сапа факторы резонатордың тербелісінің тазалығын сипаттайды. Сонымен қатар, теориялық тұрғыдан графен мембраналарын барлық жағынан бекіту сапа санын арттырады деп болжанды. Графенді NEMS масса, күш және позиция сенсорлары ретінде де қолдануға болады.

Металлдан жасалған көміртекті нанотүтіктер

Көміртек нанотұмырлары (КНТ) – цилиндрлік наноқұрылымы бар көміртек аллотроптары. Оларды оралған графен ретінде қарастыруға болады. Нанотүтіктер нақты және дискретті ("хиральды") бұрыштармен оралғанда, оралу бұрышы мен радиусының комбинациясы нанотүтік жолақты (жартылай өткізгіш) немесе жолақсыз (металл) болатынын анықтайды. Металл көміртек нанотүтіктер жоғары ток тығыздығын өткізе алатындықтан, наноэлектрондық байланыстар үшін де қолданылуы мүмкін. Бұл көміртек нанотүтіктердің күрделі наноэлектр жүйелерін құруына әкеледі. Көміртектік өнімдерді бақылауға болады және олар байланыстар мен транзисторлар ретінде жұмыс істей алатындықтан, NEMS құрылғыларының электрлік компоненттерінде негізгі материал болып табылады.

CNT-ға негізделген NEMS коммутаторлары

MEMS коммутаторларының NEMS коммутаторларына қарағанда басты кемшілігі – MEMS-тің микросекундтық диапазонмен шектелген коммутация жылдамдығы, ол жоғары жылдамдықты қолданулар үшін өнімділіктің төмендеуіне әкеледі. Қосу жылдамдығы мен қозу кернеуінің шектеулерін құрылғыларды микрометрлік өлшемнен нанометрлік өлшемге дейін кішірейте отырып жеңуге болады. Көміртектік нанотүтіктерге (CNT) негіделген NEMS коммутаторларын CMOS-пен салыстырғанда, CNT-ге негіделген NEMS коммутаторлары энергия тұтынудың төмен деңгейінде өнімділігін сақтайды және CMOS коммутаторларына қарағанда бірнеше есе кішірек субпороголық ағынға ие. Екі жағынан бекітілген құрылымдары бар CNT-ге негіделген NEMS құрылғылары, жүзбелгіш қақпалы ұшпалы жад қолданулары үшін потенциалды шешімдер ретінде одан әрі зерттелуде.

Қиындықтар

Көміртек нанотұбырлары мен графеннің NEMS технологиясы үшін барлық пайдалы қасиеттеріне қарамастан, бұл екі өнімнің де енгізілуіне бірнеше кедергілер кезеседі. Басты проблемалардың бірі – көміртектің нақты өмірдегі ортаға реакциясы. Көміртек нанотұбырлары оттегіге ұшырағанда электрондық қасиеттерінде айқын өзгерістер байқалады. Сол сияқты, көміртекті материалдардың электрондық және механикалық ерекшеліктеріне қатысты өзгерістерді толық зерттеу қажет, әсіресе олардың жоғары беттік ауданы айналадағы ортамен оңай әрекеттесетіндіктен. Көміртек нанотұбырларының өткізгіштігі әртүрлі екені анықталды, олар өңдеу кезінде спиральдік құрылысына байланысты металл немесе жартылай өткізгіш бола алады. Сондықтан, өңдеу барысында барлық нанотұбырлардың қажетті өткізгіштікке ие екеніне көз жеткізу үшін оларға арнайы күтім жасау қажет. Графеннің де дәстүрлі жартылай өткізгіштермен салыстырғанда күрделі электр өткізгіштік қасиеттері бар, себебі оның энергиялық қабаттарында үзіліс болмайды, бұл электрондардың графен негізіндегі құрылым арқылы қозғалуын анықтайтын барлық қағидаларды өзгертеді. Кремнийден жасалған сынамалық массаны екі қабатты графен таспасына бекіту арқылы, акселерометрлерде қолданылатын ағымдағы түрлендіргіштермен салыстыруға болатын наноөлшемді серіппелі-массалық және пьезорезистивті түрлендіргіш жасауға болады. Серіппелі масса жоғары дәлдікті қамтамасыз етеді, ал графеннің пьезорезистивтік қасиеттері үдеуден туындаған деформацияны акселерометр үшін электр сигналдарына түрлендіреді. Ілген графен таспасы бір мезгілде серіппелік және пьезорезистивті түрлендіргіш ретінде жұмыс істейді, бұл NEMS акселерометрлерінің өнімділігін арттырумен қатар кеңістікті тиімді пайдалануға мүмкіндік береді.

Полидиметилсилоксен (PDMS)

Көптеген NEMS үшін жоғары жабысу және үйкелістен туындайтын қателер маңызды мәселе болып табылады. NEMS көбінесе силиконды пайдаланады, себебі оның микро өңдеудің жақсы сипатталған әдістері бар; алайда, оның ішкі қатаңдығы қозғалатын бөліктері бар құрылғылардың мүмкіндіктерін шектейді. Огайо штатының зерттеушілері жүргізген зерттеуде PDMS жабынына қарсы табиғи оксид қабаты бар бір кристаллды кремнийдің жабысу және үйкеліс параметрлері салыстырылды. PDMS – бұл жоғары деңгейде механикалық түрде реттелетін, химиялық тұрақты, термиялық тұрақты, газдарға өткізгіш, мөлдір, флуоресцентті емес, биологиялық үйлесімді және уытты емес силиконды эластомер. Тынығу уақыты жабыс күшімен тікелей байланысты екендігі анықталды, ал салыстырмалы ылғалдылықтың артуы гидрофильді полимерлер үшін жабыс күштерінің жоғарылауына әкеледі. Контакт бұрышын өлшеу және Лаплас күшінің есептелуі PDMS-тің гидрофобтық сипатын көрсетеді, бұл оның салыстырмалы ылғалдылыққа тәуелсіздігін эксперименттік жолмен растайды. PDMS-тің жабыс күштері де тынығу уақытына тәуелсіз, әртүрлі салыстырмалы ылғалдылық жағдайында әмбебап жұмыс істей алады және кремнийге қарағанда үйкеліс коэффициенті төмен. PDMS жабындары жоғары жылдамдықтың проблемаларын, мысалы, сырғанаудың алдын алуды жеңілдетеді. Осылайша, контакт беттеріндегі үйкеліс тіпті жоғары жылдамдықтарда да төмен болады. Шындығында, микродеңгейде үйкеліс жылдамдық артумен азаяды. PDMS-тің гидрофобтығы және төмен үйкеліс коэффициенті оның әртүрлі салыстырмалы ылғалдылық және жоғары сырғанау жылдамдықтарында жүргізілетін NEMS эксперименттеріне қосылу мүмкіндігін арттырады.

PDMS-пен қапталған пьезорезистивті наноэлектромеханикалық жүйелер диафрагмасы

PDMS жиі NEMS технологиясында қолданылады. Мысалы, диафрагмаға жағылған PDMS қабықшасы хлороформ буын анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Сингапур Ұлттық университетінің зерттеушілері бөлме температурасында хлороформ буын анықтау үшін кремний наножіптерімен (SiNW) жабдықталған полидиметилсилоксан (PDMS) қапталған наноэлектромеханикалық жүйе диафрагмасын жасады. Хлороформ буының болуы кезінде микродиафрагмадағы PDMS қабықшасы бу молекулаларын сіңіріп алып, кеңейеді, нәтижесінде микродиафрагма деформацияланады. Микродиафрагмаға енгізілген SiNW-лар Уитстон көпірімен байланысқан, бұл деформацияны сандық шығыс кернеуіне түрлендіреді. Бұған қоса, микродиафрагмалық сенсор төмен қуат тұтынумен, төмен құнмен өңдеуге мүмкіндік береді. Ол масштабтауға, өте ықшам өлшемге және CMOS интегралды схемасымен (IC) процесіне үйлесімділікке зор потенциалға ие. Буды сіңіретін полимерлік қабатты ауыстыру арқылы, басқа да органикалық буларды анықтауға теориялық тұрғыдан қабілетті ұқсас әдістерді қолдануға болады. Материалдар бөлімінде талқыланған қасиеттеріне қосымша, PDMS хлороформды сіңіру үшін қолданылуы мүмкін, оның әсері микродиафрагманың ісінуімен және деформациясымен байланысты; осы зерттеуде әртүрлі органикалық булар да өлшенді. Жақсы тозуға төзімділік пен тиісті қаптама арқылы, PDMS-тің жылу, жарық және сәулеленудің әсерінен ыдырау жылдамдығын баяулатуға болады.

Биогибридті NEMS

Биогибридтік жүйелердің дамып келе жатқан саласы биомедициналық немесе роботтық қолданыстар үшін биологиялық және синтетикалық құрылымдық элементтерді үйлестіреді. Бионаноэлектромеханикалық жүйелердің (БИОНЭМЖ) құрамына кіретін элементтер наноөлшемді, мысалы ДНК, ақуыздар немесе наноқұрылымдық механикалық бөліктер болып табылады. Мысалы, тиол-эне полимерлерін оңай жолмен жоғарыдан төменге қарай наноқұрылымдау арқылы, кейін ақуыздармен функционалдастырылатын, байланысқан және механикалық тұрақты наноқұрылымдар жасауға болады.

Симуляциялар

Компьютерлік модельдеулер NEMS құрылғыларының эксперименталдық зерттеулеріне ұзақ уақыттан бері маңызды көмекші болып табылады. Ұздіксіз механика және молекулалық динамика (МД) арқылы NEMS құрылғыларының маңызды қасиеттерін эксперименттерге кіріспес бұрын есептеу модельдеу арқылы болжауға болады. Сонымен қатар, Ұздіксіз механика және МД әдістерін біріктіру инженерлерге өте ұсақ торларды және көп уақытты қажет ететін модельдеулерді қолданбай, NEMS құрылғыларының тұрақтылығын тиімді түрде талдауға мүмкіндік береді. Осы құрылғылардың механикалық және электрлік қасиеттерін болжау үшін модельдеулерді пайдалану NEMS құрылғысының жобалау параметрлерін оңтайландыруға көмектеседі.

Сенімділік пен қиындықтар

Сенімділік – бұл белгілі бір өнімнің қызмет ету мерзімі ішінде компоненттің ақаусыздығы мен жұмысқа қабілеттілігінің сандық өлшемі. NEMS құрылғыларының жұмысын тоқтатуына механикалық, электрлік, химиялық және жылулық факторлар сияқты түрлі себептер ықпал етуі мүмкін. Ақаулық механизмдерін анықтау, өнімділікті жақсарту, ақпараттың жетіспеуі және нәтижелерді қайта табудағы қиындықтар NEMS құрылғыларының сенімділігін арттырудағы басты мәселелер ретінде анықталды. Мұндай мәселелер өндіріс кезеңдерінде (яғни, пластиналарды өңдеу, қаптамалау, соңғы құрастыру) және өндірістен кейінгі кезеңдерде (яғни, тасымалдау, логистика, пайдалану) туындайды.

Қаптама

Қаптамамен байланысты қиындықтар көбінесе MEMS және NEMS құрылғыларының жалпы құнының 75-95% құрайды. Вафлиді кесу, құрылғының қалыңдығы, соңғы босату тізбегі, жылулық кеңею, механикалық кернеуді оқшаулау, қуатты және жылуды тарату, иілуді азайту, ортаны оқшаулау және қорғау қаптамалары – бұл факторлар МЭМС немесе NEMS компонентінің дизайнымен үйлестірілген қаптама дизайнында қарастырылады. Деламинация талдауы, қозғалыс талдауы және қызмет ету мерзімін сынау, пластина деңгейіндегі капсулалау техникаларын бағалау үшін қолданылды, мысалы, қақпақтан пластинаға, пластинадан пластинаға және жұқа пленкамен капсулалау. Пластина деңгейіндегі капсулалау техникалары микро және наноқұрылғылардың сенімділігін арттырып, өнімділіктің жоғарылауына әкелуі мүмкін.

Өңдеу

Өндіріс процесінің бастапқы кезеңдерінде NEMS құрылғыларының сенімділігін бағалау өнімділікті арттыру үшін маңызды. Жер бетіндегі күштердің түрлері, мысалы, жабысу және электростатикалық күштер, көбінесе беткі топографияға және контактілік геометрияға байланысты. Нанотекстуралы беттерді таңдап өндіру контактілік аумақты азайтады, бұл NEMS құрылғыларының жабысу және үйкеліс сипаттамаларын жақсартады. Сонымен қатар, нанопосттарды жасалған беттерге енгізу гидрофобтылықты арттырады, нәтижесінде жабысу және үйкеліс азаяды. NEMS құрылғысының тиісті қолданылуы үшін беткі тегіссіздікті реттеуге жабысу мен үйкелісті наноқалыптау арқылы өзгертуге болады. Огайо штатының университетінің ғалымдары атомдық/үйкеліс күшін микроскопиясын (AFM/FFM) гидрофобтылыққа, жабысуға және екі түрлі пішіндегі аспериттері бар гидрофильді полимерлерге үйкелістің әсерін зерттеу үшін пайдаланды (төмен және жоғары арақатынас). Гидрофильді беттердегі тегіссіздік пен гидрофобты беттер арасындағы байланыс кері және тура байланысқа ие екені анықталды. Материалдың қасиеттері өлшемге байланысты. Сондықтан NEMS және наномасштабты материалдардың ерекше сипаттамаларын талдау NEMS құрылғыларының сенімділігі мен ұзақ мерзімді тұрақтылығын сақтау үшін маңызды. Наноматериалдардың қаттылығы, серпімділік модулі және иілу сынақтары сияқты кейбір механикалық қасиеттері, өндіріс процесінен өткен материалға наноиндентерді қолдану арқылы анықталады. Дегенмен, бұл өлшемдер құрылғының өнеркәсіпте ұзақ немесе циклдік жүктемелер мен деформациялар кезінде қалай жұмыс істейтінін ескермейді. Тета құрылымы – ерекше механикалық қасиеттері бар NEMS моделі. Кремнийден жасалған бұл құрылым жоғары беріктікке ие және материалдардың белгілі бір механикалық қасиеттерін өлшеу үшін нано масштабтағы кернеуді шоғырландыра алады.

Қалдық қысымдар

Құрылымдық тұтастықтың сенімділігін арттыру үшін материалдың құрылымын және тиісті масштабтағы ішкі кернеулерді сипаттау маңыздырақ болып келеді. Қалдық кернеулердің әсері тек қана жарықтар, деформация, қабаттасу және наноөлшемді құрылымдық өзгерістерді ғана емес, сонымен қатар құрылғының жұмыс істемеуіне және физикалық тозуына да алып келуі мүмкін. Қалдық кернеулер электрлік және оптикалық қасиеттерге де әсер етеді. Мысалы, әртүрлі фотоэлектрлік және жарықдиодты (LED) қолданыстарда, қалдық кернеудің әсері арқылы жартылай өткізгіштердің энергиялық саңылауы тиісінше реттелуі мүмкін. Бұдан әрі, қалдық кернеуді дифференциалдық сканерлеу калориметриясы (DSC) және температураға тәуелді рентгендік дифракция (XRD) қолданып, наноқұрылымдардың балқу температурасын өлшеуге болады.

Болашақ

Қазіргі уақытта көптеген NEMS құрылғыларының коммерциялық қолданылуына кедергі келтіретін негізгі тосқауылдар – төмен өнімділік және құрылғы сапасының жоғары өзгергіштігі. NEMS құрылғыларын іске қосу алдында көміртектік өнімдердің қолайлы интеграциясы жасалуы тиіс. Алмаз үшін жасалған соңғы қадам осы бағыттағы үлкен жетістік болды, ол кремниймен салыстырылатын өңдеу деңгейіне қол жеткізді. NEMS-тің жаһандық нарығы 2022 жылға қарай 108,88 миллион долларға жетеді деп күтілуде.

Наноэлектромеханикалық негіздегі консольдер

Калифорния технология институтының зерттеушілері механикалық резонанстары өте жоғары жиіліктерге (VHF) дейін жететін NEM негізіндегі консольді жасады. Оның құрамына пьезорезистивті жұқа металл пленкаға негізделген электрондық ығысу түрлендіргіштері кіреді, бұл наноқұрылғыларды нақты және тиімді оқуға мүмкіндік береді. Консольдің бетін мақсатты заттарға қатысты жоғары бөлу коэффициентіне ие жұқа полимерлік қаптамамен функционалдау арқылы NEMS негізіндегі консольдер бөлме температурасында бір аттограмнан кем массалық ажыратымдылықпен химиялық адсорбцияны өлшеуге мүмкіндік береді. NEMS негізіндегі консольдердің қосымша мүмкіндіктері сенсорлар, сканерлеу зондтары және өте жоғары жиілікте (100 МГц) жұмыс істейтін құрылғыларды жасауда қолданылды.