Введение

Класс устройств для нанофункциональности

Наноэлектромеханические системы (NEMS) – это класс устройств, объединяющих электрическую и механическую функциональность в наномасштабе. NEMS представляют собой следующий логический этап миниатюризации по сравнению с так называемыми микроэлектромеханическими системами, или устройствами MEMS. NEMS обычно интегрируют наноэлектронику, подобную транзисторам, с механическими приводами, насосами или двигателями, и таким образом могут формировать физические, биологические и химические сенсоры. Название происходит от типичных размеров устройств в нанометровом диапазоне, что обуславливает малую массу, высокие частоты механического резонанса, потенциально значительные квантово-механические эффекты, такие как нулевые колебания, и высокое отношение площади поверхности к объему, полезное для сенсорных механизмов, основанных на поверхности. Области применения включают акселерометры и датчики для обнаружения химических веществ в воздухе.

Предыстория

Как отметил Ричард Фейнман в своей знаменитой речи 1959 года «Внизу много места», существует множество потенциальных применений машин при всё меньших и меньших размерах; создание и управление устройствами в меньших масштабах приносит пользу всем технологиям. Ожидаемые преимущества включают в себя повышение эффективности и уменьшение размеров, снижение энергопотребления и себестоимости производства электромеханических систем. В 1962 году Аталла и Канг создали транзистор с нанослойным металл-полупроводниковым переходом (МП-переходом), в котором использовались тонкие плёнки золота (Au) толщиной 10 нм. В 1987 году Бижан Давари возглавил исследовательскую группу IBM, которая продемонстрировала первый MOSFET с толщиной оксида 10 нм. Многозатворные MOSFETы позволили уменьшить длину канала ниже 20 нм, начиная с FinFET. В Калифорнийском университете в Беркли группа под руководством Хисамото и Чэньмина Ху из TSMC изготовила FinFET-устройства с длиной канала до 17 нм в 1998 году.

НЭМС

В 2000 году исследователи IBM продемонстрировали первое устройство NEMS, реализованное по технологии сверхбольшой интеграции (СБИ). В его основе лежала матрица наконечников атомно-силового микроскопа (AFM), способных нагревать и регистрировать деформацию подложки для функционирования в качестве запоминающего устройства (память "Миллипед"). Дальнейшие разработки были описаны Стефаном де Хааном. В 2007 году Международная технологическая дорожная карта для полупроводников (ITRS) включила память NEMS в раздел "Новые перспективные устройства" как новую позицию.

Атомно-силовая микроскопия

Ключевым применением NEMS являются наконечники атомно-силовых микроскопов. Повышенная чувствительность, достигаемая благодаря NEMS, позволяет создавать более компактные и эффективные датчики для регистрации напряжений, вибраций, сил на атомном уровне и химических сигналов. Наконечники АСМ и другие методы детектирования на наномасштабе в значительной степени опираются на NEMS.

Подходы к миниатюризации

Существует два взаимодополняющих подхода к изготовлению НЭМС: подход "сверху вниз" и подход "снизу вверх". Подход "сверху вниз" использует традиционные методы микрофабрикации, такие как оптическая и электронно-лучевая литография, а также термическая обработка, для создания устройств. Несмотря на ограничения, связанные с разрешением этих методов, он обеспечивает высокую степень контроля над получаемыми структурами. Таким образом, из металлических тонких плёнок или травленых полупроводниковых слоёв изготавливаются такие устройства, как нанопроволоки, наностержни и структурированные наноструктуры. Для подходов "сверху вниз" увеличение отношения площади поверхности к объёму усиливает реакционную способность наноматериалов. Также может использоваться комбинация этих подходов, при которой наноразмерные молекулы интегрируются в структуру, созданную методом "сверху вниз". Примером такого решения является углеродный нанотрубковый наномотор.

Аллотропы углерода

Многие из обычно используемых материалов для технологии NEMS основаны на углероде, в частности алмаз, углеродные нанотрубки и графен. Это в основном связано с полезными свойствами углеродсодержащих материалов, которые напрямую соответствуют потребностям NEMS. Механические свойства углерода (такие как высокий модуль Юнга) имеют фундаментальное значение для стабильности NEMS, а металлическая и полупроводниковая проводимость углеродсодержащих материалов позволяет им функционировать как транзисторы. Как графен, так и алмаз обладают высоким модулем Юнга, низкой плотностью, низким трением и исключительно низким механическим рассеянием. Низкое трение углеродных нанотрубок позволяет создавать практически безтрениевые подшипники и стало мощным стимулом для практического применения углеродных нанотрубок в качестве конструктивных элементов NEMS, таких как наномоторы, переключатели и высокочастотные генераторы. Наряду с механическими преимуществами углеродсодержащих материалов, электрические свойства углеродных нанотрубок и графена позволяют использовать их во многих электрических компонентах NEMS. Нанотранзисторы были разработаны как на основе углеродных нанотрубок, так и графена. Транзисторы являются одним из основных строительных блоков для всех электронных устройств, поэтому эффективная разработка пригодных для использования транзисторов делает углеродные нанотрубки и графен крайне важными для NEMS. Наномеханические резонаторы часто изготавливаются из графена. По мере уменьшения размеров резонаторов NEMS наблюдается общая тенденция к снижению добротности (Q-фактора) обратно пропорционально отношению площади поверхности к объему. Однако, несмотря на эту проблему, экспериментально было доказано, что Q-фактор может достигать 2400. Добротность описывает чистоту тона колебаний резонатора. Кроме того, теоретически было предсказано, что закрепление графеновых мембран по всем краям приводит к увеличению добротности. NEMS на основе графена также могут функционировать как датчики массы, силы и положения.

Металлические углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки (CNT) — это аллотропные модификации углерода с цилиндрической наноструктурой. Их можно представить как свернутый лист графена. При скручивании под определенными и дискретными ("хиральными") углами, а комбинация угла скручивания и радиуса определяет, обладает ли нанотрубка запрещенной зоной (является ли она полупроводниковой) или не обладает ею (является ли она металлической). Металлические углеродные нанотрубки также рассматриваются в качестве межсоединений для наноэлектроники, поскольку способны проводить высокие плотности тока. Это позволяет углеродным нанотрубкам формировать сложные наноэлектрические системы. Благодаря возможности контролируемого производства и применению в качестве как межсоединений, так и транзисторов, углеродные материалы являются фундаментальными для электрических компонентов в NEMS.

коммутаторы NEMS на основе CNT

Основным недостатком MEMS-коммутаторов по сравнению с NEMS-коммутаторами является ограниченная скорость переключения MEMS, измеряемая микросекундами, что ограничивает их применение в высокоскоростных системах. Ограничения по скорости переключения и напряжению управления могут быть преодолены за счет уменьшения размеров устройств от микро- до нанометрового масштаба. Сравнение характеристик NEMS-коммутаторов на основе углеродных нанотрубок (CNT) с их CMOS-аналогами показало, что NEMS-коммутаторы на основе CNT сохраняют производительность при более низком энергопотреблении и демонстрируют подпороговый ток утечки на несколько порядков меньший, чем у CMOS-коммутаторов. NEMS на основе CNT с двойной фиксацией продолжают изучаться как перспективные решения для энергонезависимой памяти с плавающим затвором.

Трудности

Несмотря на все полезные свойства углеродных нанотрубок и графена для технологий NEMS, оба этих материала сталкиваются с рядом препятствий для их практического применения. Одной из основных проблем является реакция углерода на реальные условия окружающей среды. Углеродные нанотрубки демонстрируют значительное изменение электронных свойств при воздействии кислорода. Аналогично, другие изменения электронных и механических характеристик углеродных материалов должны быть всесторонне изучены перед их внедрением, особенно учитывая их большую площадь поверхности, которая легко вступает в реакцию с окружающей средой. Также было обнаружено, что углеродные нанотрубки обладают различной проводимостью, являясь либо металлическими, либо полупроводниковыми, в зависимости от их хиральности при обработке. В связи с этим, нанотрубки требуют специальной обработки в процессе производства для обеспечения необходимой проводимости всех экземпляров. Графен также обладает сложными свойствами электропроводности по сравнению с традиционными полупроводниками, поскольку в нем отсутствует энергетическая щель, что принципиально меняет правила движения электронов в устройствах на его основе. Путем подвешивания кремниевой массы на двухслойной графеновой ленте можно создать наномасштабную систему "масса-пружина" с пьезорезистивным преобразователем, сопоставимым по характеристикам с преобразователями, используемыми в современных акселерометрах. Масса пружины обеспечивает повышенную точность, а пьезорезистивные свойства графена преобразуют деформацию, вызванную ускорением, в электрические сигналы для акселерометра. Подвешенная графеновая лента одновременно выполняет функции пружины и пьезорезистивного преобразователя, эффективно используя пространство и повышая производительность NEMS-акселерометров.

Полидиметилсилоксаны (PDMS)

Неисправности, возникающие из-за высокой адгезии и трения, представляют собой проблему для многих НЭМС. НЭМС часто используют кремний благодаря хорошо изученным методам микрообработки, однако его собственная жесткость часто ограничивает возможности устройств с движущимися частями. Исследование, проведенное учеными из Университета штата Огайо, сравнило параметры адгезии и трения монокристаллического кремния с нативным оксидным слоем и покрытия PDMS. PDMS – это силиконовый эластомер, обладающий высокой механической настраиваемостью, химической инертностью, термостабильностью, газопроницаемостью, прозрачностью, отсутствием флуоресценции, биосовместимостью и нетоксичностью. Время выдержки было установлено как напрямую коррелирующее с адгезионной силой, а повышение относительной влажности приводит к увеличению адгезионных сил для гидрофильных полимеров. Измерения угла контакта и расчеты силы Лапласа подтверждают характеристику гидрофобных свойств PDMS, что ожидаемо соответствует его экспериментально подтвержденной независимости от относительной влажности. Адгезионные силы PDMS также не зависят от времени выдержки, что позволяет ему эффективно работать в различных условиях относительной влажности, и он обладает более низким коэффициентом трения, чем кремний. Покрытия PDMS способствуют снижению проблем, связанных с высокой скоростью, таких как предотвращение проскальзывания. Таким образом, трение на контактных поверхностях остается низким даже при значительно высоких скоростях. Фактически, в микромасштабе трение уменьшается с увеличением скорости. Гидрофобность и низкий коэффициент трения PDMS открывают возможности для его дальнейшего использования в экспериментах с НЭМС, проводимых при различной относительной влажности и высоких скоростях скольжения.

Пьезорезистивная диафрагма для наноэлектромеханических систем, покрытая PDMS

PDMS часто используется в технологиях NEMS. Например, покрытие из PDMS на диафрагме может применяться для обнаружения паров хлороформа. Исследователи из Национального университета Сингапура разработали диафрагму наноэлектромеханической системы с покрытием из полидиметилсилоксана (PDMS), содержащую кремниевые нанопроволоки (SiNW), для обнаружения паров хлороформа при комнатной температуре. В присутствии паров хлороформа пленка PDMS на микродиафрагме поглощает молекулы паров и, как следствие, расширяется, что приводит к деформации микродиафрагмы. Кремниевые нанопроволоки (SiNW), встроенные в микродиафрагму, соединены в мостовую схему Уитстона, которая преобразует деформацию в количественное выходное напряжение. Кроме того, микросенсор на основе диафрагмы отличается низкой стоимостью производства и низким энергопотреблением. Он обладает значительным потенциалом для масштабирования, ультракомпактных размеров и совместимости с технологическими процессами CMOS. Путем замены полимерного слоя, поглощающего пары, можно использовать аналогичные методы, которые теоретически способны обнаруживать другие органические пары. Помимо присущих ему свойств, описанных в разделе "Материалы", PDMS может использоваться для поглощения хлороформа, что обычно связано с набуханием и деформацией микродиафрагмы; в ходе данного исследования также измерялись различные органические пары. При хорошей стабильности при старении и соответствующей упаковке скорость деградации PDMS под воздействием тепла, света и излучения может быть снижена.

Биогибридные НЭМС

Возникающая область биогибридных систем объединяет биологические и синтетические структурные элементы для биомедицинских или роботизированных применений. Составляющие элементы бионаноэлектромеханических систем (BioNEMS) имеют наноразмер, например, ДНК, белки или наноструктурированные механические компоненты. Примерами служат простое наноструктурирование полимеров тиол-эна "сверху вниз" для создания сшитых и механически прочных наноструктур, которые впоследствии функционализируются белками.

Симуляции

Компьютерное моделирование давно является важным дополнением к экспериментальным исследованиям устройств NEMS. С помощью механики континуума и молекулярной динамики (MD) можно предсказать ключевые характеристики устройств NEMS посредством вычислительного моделирования до проведения экспериментов. Более того, объединение методов континуума и MD позволяет инженерам эффективно анализировать стабильность устройств NEMS, избегая использования сверхтонких сеток и длительных по времени вычислений. Применение моделирования для прогнозирования механических и электрических свойств этих устройств помогает оптимизировать параметры их конструкции.

Надежность и проблемы

Надежность предоставляет количественную оценку целостности и работоспособности компонента без отказов в течение заданного срока службы изделия. Отказы устройств NEMS могут быть вызваны различными факторами, такими как механические, электрические, химические и термические воздействия. Выявление механизмов отказов, повышение выхода годных, недостаток информации и проблемы с воспроизводимостью были определены как основные препятствия на пути к достижению более высокого уровня надежности устройств NEMS. Эти проблемы возникают как на этапах производства (например, обработка пластин, корпусирование, окончательная сборка), так и после производства (например, транспортировка, логистика, эксплуатация).

Упаковка

На упаковку часто приходится 75–95% от общей стоимости MEMS и NEMS. При проектировании упаковки учитываются такие факторы, как разрезка пластин, толщина устройства, последовательность окончательного освобождения, термическое расширение, изоляция механических напряжений, рассеивание мощности и тепла, минимизация ползучести, изоляция среды и защитные покрытия, чтобы обеспечить соответствие конструкции упаковки конструкции компонента MEMS или NEMS. Для оценки методов инкапсуляции на уровне пластин, таких как "колпачок на пластину", "пластина на пластину" и тонкопленочная инкапсуляция, использовались анализ расслоения, анализ движения и испытания на срок службы. Методы инкапсуляции на уровне пластин могут привести к повышению надежности и увеличению выхода годных как для микро-, так и для наноустройств.

Производство

Оценка надежности NEMS на ранних стадиях производственного процесса необходима для повышения выхода годных изделий. Формы поверхностных сил, такие как адгезия и электростатические силы, в значительной степени зависят от топографии поверхности и контактной геометрии. Селективное изготовление нанотекстурированных поверхностей уменьшает площадь контакта, улучшая как адгезию, так и характеристики трения для NEMS. Более того, нанесение наноструктур на инженерные поверхности повышает гидрофобность, что приводит к снижению как адгезии, так и трения. Адгезия и трение также могут регулироваться с помощью наноструктурирования для настройки шероховатости поверхности в соответствии с конкретными задачами устройства NEMS. Исследователи из Университета штата Огайо использовали атомно-силовую/фрикционную микроскопию (AFM/FFM) для изучения влияния наноструктурирования на гидрофобность, адгезию и трение гидрофильных полимеров с двумя типами шероховатостей (с низким и высоким отношением сторон). Шероховатость на гидрофильных поверхностях и гидрофобных поверхностях демонстрирует обратную и прямую корреляцию соответственно. Свойства материала зависят от размера. Поэтому анализ уникальных характеристик NEMS и наноматериалов становится все более важным для обеспечения надежности и долгосрочной стабильности устройств NEMS. Некоторые механические свойства, такие как твердость, модуль упругости и испытания на изгиб, для наноматериалов определяются с помощью наноиндентации материала, прошедшего технологическую обработку. Однако эти измерения не учитывают, как устройство будет работать в промышленности при длительных или циклических напряжениях и деформациях. Тета-структура – это модель NEMS, демонстрирующая уникальные механические свойства. Состоящая из Si, эта структура обладает высокой прочностью и способна концентрировать напряжения на наноуровне для измерения определенных механических свойств материалов.

Остаточные напряжения

Для повышения надежности структурной целостности все более важной становится характеристика структуры материала и собственных напряжений на соответствующих масштабах длины. Последствия остаточных напряжений включают, помимо прочего, разрушение, деформацию, расслоение и структурные изменения на наноуровне, которые могут привести к выходу из строя и физическому износу устройства. Остаточные напряжения могут влиять на электрические и оптические свойства. Например, в различных фотоэлектрических и светодиодных (LED) приложениях энергия запрещенной зоны полупроводников может быть соответствующим образом изменена под воздействием остаточных напряжений. Более того, остаточные напряжения можно использовать для измерения температуры плавления наноструктур с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) и рентгеновской дифракции с изменением температуры (XRD).

Будущее

Ключевые препятствия, сдерживающие коммерческое применение многих устройств NEMS, включают низкий выход годных изделий и высокую вариабельность качества устройств. Прежде чем устройства NEMS смогут быть внедрены на практике, необходимо создать надежные интеграции углеродсодержащих материалов. Недавний шаг в этом направлении был продемонстрирован для алмаза, достигнув уровня обработки, сопоставимого с уровнем обработки кремния. По прогнозам, мировой рынок NEMS достигнет 108,88 миллионов долларов к 2022 году.

Кран-контейнер на наноэлектромеханической основе

Исследователи из Калифорнийского технологического института разработали консоль на основе NEM с механическими резонансами до очень высоких частот (VHF). Встраивание электронных датчиков перемещения на основе пьезорезистивной тонкой металлической пленки обеспечивает однозначное и эффективное считывание показаний наноустройств. Функционализация поверхности устройства тонким полимерным покрытием с высоким коэффициентом распределения для целевых веществ позволяет NEMS-консолям проводить измерения хемосорбции при комнатной температуре с разрешением по массе менее одного аттограмма. Дальнейшие возможности NEMS-консолей были применены в сенсорах, сканирующих зондах и устройствах, работающих на очень высокой частоте (100 МГц).