الأنظمة الكهروميكانيكية النانوية

	جزء من سلسلة منطقات عن; إلكترونيات نانوية
	إلكترونيات الجزيء الواحد; إلكترونيات جزيئية; بوابات منطقية جزيئية; أسلاك جزيئية
	الإلكترونيات النانوية للحالة الصلبة; دارات نانوية*; الأسلاك النانوي; ليثوگرافيا نانوية; NEMS; مجسات نانوية
	مقاربات أخرى; Nanoionics; فوتونيات نانوية; ميكانيكا نانوية
	انظر أيضاً; تقنية النانو;
	• •

SiTime SiT8008 هومذبذِب قابل للبرمجة يصل إلى دقة الكوارتز مع موثوقية عالية وحساسية g منخفضة. الترانزستورات النانوية (الجانب الأيسر) والمكونات الميكانيكية النانومترية (يمين) مدمجة على الشريحة نفسها.

Nanoelectromechanical systems (NEMS) هي فئة من الأجهزة التي تدمج الوظائف الكهربائية والميكانيكية في مقياس النانو. تشكل NEMS خطوة التصغير المنطقي التالية من ما يسمى الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة ، أوأجهزة MEMS. تدمج NEMS عادةً ما يشبه الترانزستور الإلكترونيات النانوية مع المحركات الميكانيكية أوالمضخات أوالمحركات ، وبالتالي قد تشكل مجسات فيزيائية وبيولوجية وأجهزة استشعار كيميائية. الاسم مستمد من أبعاد الجهاز النموذجية في نطاق نانومتر ، مما يؤدي إلى انخفاض ترددات الرنين الميكانيكية عالية الكتلة ، ويحتمل حتى تكون تأثيرات ميكانيكا الكم كبيرة مثل حركة نقطة الصفر ، والنسبة العالية من سطح إلى حجم المفيدة لآليات الاستشعار السطحية. تضم التطبيقات مقياس التسارع وأجهزة استشعار للكشف عن مادة كيميائية في الهواء.

تاريخ

خلفية

كما أشار ريتشارد فاينمان في حديثه الشهير في عام 1959 ، "هناك الكثير من المجال في الأسفل ،" هناك الكثير من التطبيقات المحتملة للآلات بأحجام أصغر وأصغر ؛ من خلال بناء ومراقبة الأجهزة على نطاقات أصغر ، لجميع فوائد التكنولوجيا. تضم الفوائد المتسقطة زيادة الكفاءة وخفض الحجم وانخفاض استهلاك الطاقة وانخفاض تكاليف الإنتاج في الأنظمة الكهروميكانيكية.

في عام 1960 تم تصنيع ، من قبل محمد م. عطا الله ودون كاهن في مختبرات بيل أول MOSFET أكسيد بوابة بسماكة 100 نانومتر. في عام 1962 ، خلق عطا الله وكاهن nanolayer - قاعدة الترانزستور تقاطع أنصاف النواقل المعدنية (تقاطع M – S) حيث استخدم المضى (Au) في الأفلام الرقيقة بسماكةعشرة نانومتر.في عام 1987 ، قاد بيان داڤاري فريق درس في IBM حيث أظهر أول MOSFET أوكسيد بسماكةعشرة نانومتر. MOSFETs ذات البوابات المتعددة الممكّنة على مقياس ما دون 20 نانومتر لطول القناة ، بدءًا من FinFET. نشأ FinFET من درس ديگ هيساموتوفي مختبر هيتاتشي المركزي للبحوث في عام 1989.قامت مجموعة في جامعة كاليفورنيا بيركلي ، بقيادة هيساموتووTSMC تشن منگ هوبتجهيز أجهزة FinFET وصولاً إلى nm لطول القناة في عام 1998.

NEMS

في عام 2000 ، قام الباحثون في IBM بعرض أول جهاز للتكامل واسع النطاق للغاية (VLSI) NEMS. كان الفرضية مجموعة من رؤوس AFM التي يمكن حتى تسخن / تستشعر ركيزة قابلة للتشوه من أجل العمل كجهاز ذاكرة. وقد تم توصيف أجهزة أخرى من قبل ستيفان دي هان.في عام 2007 ، تم وضع خارطة الطريق التقنية الدولية لأنصاف النواقل (ITRS) التي تحتوي على ذاكرة NEMS كإدخال حديث لقسم "الأجهزة البحثية الناشئة".

مجهر القوة الذرية

من أبرز تطبيقات NEMS رؤوس مجهر القوة الذرية. تؤدي الحساسية المتزايدة التي تحققها NEMS إلى أجهزة استشعار أصغر وأكثر كفاءة لاكتشاف الضغوط والاهتزازات والقوى على المستوى الذري والإشارات الكيميائية. تعتمد رؤوس AFM وعمليات الكشف الأخرى في مقياس النانواعتماداً كبيراً على NEMS.

نهج التصغير

يمكن العثور على نهجين متتاكين لتصنيع NEMS. يستخدم نهج من أعلى إلى أسفل أساليب التصنيع المصغر التقليدية ، مثل الطباعة الضوئية ، طباعة حزم الإلكترون والمعالجات الحرارية لتصنيع الأجهزة. عند اقتصار تصاميم هذه النظريات ، فهي تسمح بالسيطرة بشكل كبير على الهياكل الناتجة . وبهذه الطريقة ، يتم تصنيع الأجهزة مثل أسلاك متناهية الصغر ، أنصاف النواقل النانوية ، والبنى النانوية المصنوعة من أغشية رقيقة معدنية أوطبقات أنصاف نواقل محفورة.

باللقاء ، تستخدم نظريات من أسفل إلى أعلى الخواص الكيميائية للجزيئات المفردة لتتسبب في تكوين مكونات جزيء واحد للتنظيم الذاتي أوللتجميع الذاتي في بعض التعديلات المفيدة ، أوالاعتماد على التجميع الموضعي. تستخدم هذه الأساليب مفاهيم الجزيئية التجميع الذاتي و/ أوالتمييز الجزيئي. يسمح ذلك بتصنيع هياكل أصغر بكثير ، وإن كان ذلك غالبًا على حساب التحكم المحدود في عملية التصنيع.

يمكن أيضًا استخدام مزيج من هذه الأساليب ، حيث يتم دمج جزيئات من المقياس النانوي في إطار من الأعلى إلى الأسفل. أحد الأمثلة على ذلك هوالكربون محرك الأنابيب النانوي.^[]

المواد

خواص الكربون

الكثير من المواد المستخدمة بشكل رائج لتقنية NEMS تعتمد على الكربون ، وبالتدقيق الماس,فأنابيب الكربون والگرافين. هذا يرجع بشكل أساسي إلى الخصائص المفيدة للمواد القائمة على الكربون والتي تلبي احتياجات NEMS بشكل مباشر. تعتبر الخواص الميكانيكية للكربون (مثل معامل Young's modulus) أساسية لاستقرار NEMS بينما تسمح الموصلات المعدنية وأنصاف النواقل للمواد القائمة على الكربون بالعمل كترانزستورات.

يحمل جميع من الگرافين والماس معامل يونگ العالي ، منخفض الكثافة ، احتكاك منخفض ، تبديد ميكانيكي منخفض للغاية, وومساحة كبيرة. يتيح الاحتكاك المنخفض في CNTs ، اتجاهاً أقل احتكاكاً بشكل عملي ، وبالتالي كان دافعًا كبيرًا نحوالتطبيقات العملية لـ CNTs كعناصر تأسيسية في NEMS ، مثل المحركات النانوية ، مفاتيح الإبدال ، والمذبذبات عالية التردد. تسمح الأنابيب النانوية الكربونية والقوة المادية للگرافين للمواد القائمة على الكربون بتحقيق متطلبات الإجهاد المرتفعة ، عندما تفشل المواد الشائعة عادةً وبالتالي تدعم استخدامها كمواد رئيسية في التطوير التكنولوجي لـ NEMS.

جنباً إلى جنب مع الفوائد الميكانيكية للمواد القائمة على الكربون ، فإن الخصائص الكهربائية لأنابيب الكربون النانوية والگرافين تسمح باستخدامه في الكثير من المكونات الكهربائية من NEMS. وقد تم تطوير الترانزستورات النانوية لكل من أنابيب الكربون النانوية وكذلك الگرافين.فالترانزستورات هي واحدة من البنى الأساسية لجميع الأجهزة الإلكترونية ، لذلك من خلال تطوير الترانزستورات القابلة للاستخدام الفعال ، وأنابيب الكربون النانوية والگرافين على حد سواء هوموضوع مهم للغاية ل NEMS.

أنابيب الكربون النانوية المعدنية

هياكل النطاقات المحسوبة باستخدام تقريب الربط المحكم لـ (6،0) CNT (zigzag ، المعدني) ، (10،2) CNT (نصف ناقل) و(10،10) CNT (بشكل كرسي ، معدني).

أنابيب الكربون النانوية (CNTs) هي خواص كربونية ذات بنية نانوية أسطوانية. يمكن اعتبارها كگرافين ملتف. عندما يتم لفه في زوايا محددة ومنفصلة ("حلزونية") ، يحدد مزيج زاوية الدوران ونصف القطر ما إذا كان الأنابيب النانوية تحتوي على فجوة نطاقية (أنصاف نواقل) أولا توجد فجوة نطاقية (معدنية).

كما تم اقتراح الأنابيب النانوية الكربونية معدنية السالبة للإلكترونات النانوية interconnects لأنها يمكن حتى تحمل كثافات تيار عالية. هذه خاصية مفيدة لأن الأسلاك لنقل التيار هي لبنة أساسية أخرى لأي نظام كهربائي. لقد وجدت في الأنابيب النانوية الكربونية على وجه التحديد الكثير من الاستخدامات في (NEMS) ، حيث تم بالعمل اكتشاف طرق لتوصيل أنابيب الكربون النانوية المعلقة بالبنى النانوية الأخرى. وهذا يسمح لأنابيب الكربون النانوية بتكوين أنظمة كهربائية نانوية معقدة. نظرًا لأنه يمكن التحكم بشكل سليم في المنتجات القائمة على الكربون وتعمل كوصلة ربط وكذلك الترانزستورات ، فهي بمثابة مادة أساسية في المكونات الكهربائية من NEMS.

صعوبات

على الرغم من جميع الخصائص المفيدة للأنابيب النانوية الكربونية والگرافين لتكنولوجيا NEMS ، يقابل كلا المنتجين عقبات عديدة أمام تطبيقها. واحدة من المشاكل الرئيسية هي استجابة الكربون لبيئات الحياة الحقيقية. حيث تظهر الأنابيب النانوية الكربونية تغييراً كبيراً في الخواص الإلكترونية عندما تتعرض لـ الأكسجين.

وبالمثل ، يجب استكشاف التغييرات الأخرى في الخصائص الإلكترونية والميكانيكية للمواد القائمة على الكربون بالكامل قبل تطبيقها ، خاصةً بسبب مساحتها العالية التي يمكن حتى تتفاعل بسهولة مع البيئات المحيطة. كما عثر حتى الأنابيب النانوية الكربونية لها موصلية مختلفة ، إما حتى تكون معدنية أوأنصاف نواقل اعتمادًا على الدورانية عند معالجتها. لهذا السبب ، يجب توجيه معاملة خاصة للأنابيب النانوية أثناء المعالجة للتأكد من حتى جميع الأنابيب النانوية لها موصلات مناسبة. يتميز الگرافين أيضًا بخصائص التوصيل الكهربائي المعقدة مقارنة بأنصاف النواقل التقليدية لأنه يفتقر إلى الطاقة فجوة الحزمة حيث تتغير جميع القواعد الأساسية لكيفية تحرك الإلكترونات عبر جهاز يعتمد على الگرافين. هذا يعني حتى الإنشاءات التقليدية للأجهزة الإلكترونية لن تعمل على الأرجح ويجب تصميم بنى جديدة تمامًا لهذه الأجهزة الإلكترونية الجديدة.

NEMS المهجنة حيوياً

الريبوسوم هي آلة بيولوجية تستخدم ديناميات البروتين فيما يتعلق بالنانومترية

يجمع المجال الناشئ للأنظمة الهجينة الحيوية بين العناصر الهيكلية البيولوجية والهجريبية للتطبيقات الطبية الحيوية أوالآلية. العناصر المكونة للأنظمة الكهروميكانيكية الحيوية (BioNEMS) ذات حجم النانو، على سبيل المثال الحمض النووي أوالبروتينات أوالأجزاء الميكانيكية الهيكلية النانوية. ومن الأمثلة على ذلك البنية النانوية السطحية من أعلى إلى أسفل لپوليمرات ثيول - إين لإنشاء بنى نانوية مترابطة ومتشابكة ميكانيكياً تعمل لاحقًا مع البروتينات.

المحاكاة

لطالما كانت المحاكاة الحاسوبية نظيرات مهمة للدراسات التجريبية لأجهزة NEMS. من خلال ميكانيكا الاستمرار والديناميات الجزيئية (MD) ، يمكن التنبؤ بالسلوكيات الهامة لأجهزة NEMS من خلال النمذجة الحاسوبية قبل الانخراط في التجارب. بالإضافة إلى ذلك ، يمكّن الجمع بين تقنيات الاستمرارية وتقنيات MD المهندسين من تحليل كفاءة أجهزة NEMS بكفاءة دون اللجوء إلى شبكات فائقة الدقة وعمليات محاكاة مكثفة في نفس الوقت. تتمتع عمليات المحاكاة بمزايا أخرى أيضًا: فهي لا تتطلب الوقت والخبرة المرتبطة بتصنيع أجهزة NEMS ؛ يمكنها التنبؤ بفعالية بالأدوار المترابطة لمختلف التأثيرات الكهروميكانيكية ؛ ويمكن إجراء الدراسات بسهولة إلى حد ما بالمقارنة مع النهج التجريبية. على سبيل المثال ، فقد تنبأت الدراسات الحسابية بتوزيع الشحنات والاستجابات الكهروميكانيكية "المسحوبة" لأجهزة NEMS. يمكن حتى يساعد استخدام عمليات المحاكاة للتنبؤ بالسلوك الميكانيكي والكهربائي لهذه الأجهزة على تحسين معايير تصميم جهاز NEMS.

مستقبل

تضم العقبات الرئيسية التي تحول دون التطبيق التجاري للعديد من الأجهزة NEMS معدلات منخفضة وجودة عالية في تنوع الأجهزة. قبل حتى يتم تطبيق أجهزة NEMS بالعمل ، يجب إنشاء تكامل معقول للمنتجات القائمة على الكربون. تم إثبات وجود خطوة حديثة في هذا الاتجاه بالنسبة للماس ، وتحقيق مستوى معالجة مماثل لمستوى السيليكون. ينتقل الهجريز حاليًا من العمل التجريبي إلى التطبيقات العملية وهياكل الأجهزة التي ستقوم بتطبيق هذه الأجهزة الجديدة والاستفادة منها. ينطوي التحدي التالي الذي يجب التغلب عليه على فهم جميع خصائص هذه الأدوات التي تعتمد على الكربون ، واستخدام الخواص اللازمة لتصميم مخطط متين وذوكفاءة مع معدلات خطأ منخفضة.

فكانت المواد المستندة إلى الكربون تعبير مواد أولية لاستخدام NEMS ، بسبب خواصها الميكانيكية والكهربائية الاستثنائية.^[]

من المتسقط حتى يصل السوق العالمي لـ NEMS إلى 108.88 مليون دولار بحلول عام 2022.

تطبيقات

Nanoelectromechanical relay
Nanoelectromechanical systems mass spectrometer

مراجع

^ Hughes, James E. Jr.; Ventra, Massimiliano Di; Evoy, Stephane (2004). . Berlin: Springer. ISBN .
^ Sze, Simon M. (2002). (PDF) (2nd ed.). Wiley. p. 4. ISBN .
^ Pasa, André Avelino (2010). "Chapter 13: Metal Nanolayer-Base Transistor". Handbook of Nanophysics: Nanoelectronics and Nanophotonics. CRC Press. pp. 13–1, 13–4. ISBN .
^ Davari, Bijan; Ting, Chung-Yu; Ahn, Kie Y.; Basavaiah, S.; Hu, Chao-Kun; Taur, Yuan; Wordeman, Matthew R.; Aboelfotoh, O.; Krusin-Elbaum, L.; Joshi, Rajiv V.; Polcari, Michael R. (1987). "Submicron Tungsten Gate MOSFET withعشرة nm Gate Oxide". 1987 Symposium on VLSI Technology. Digest of Technical Papers: 61–62.
^ Tsu‐Jae King, Liu (June 11, 2012). "FinFET: History, Fundamentals and Future". University of California, Berkeley. Symposium on VLSI Technology Short Course. Retrieved 9 July 2019.
^ Colinge, J.P. (2008). . Springer Science & Business Media. p. 11. ISBN .
^ Hisamoto, D.; Kaga, T.; Kawamoto, Y.; Takeda, E. (December 1989). "A fully depleted lean-channel transistor (DELTA)-a novel vertical ultra thin SOI MOSFET". International Technical Digest on Electron Devices Meeting: 833–836. doi:10.1109/IEDM.1989.74182.
^ "IEEE Andrew S. Grove Award Recipients". IEEE Andrew S. Grove Award. Institute of Electrical and Electronics Engineers. Retrieved 4 July 2019.
^ "The Breakthrough Advantage for FPGAs with Tri-Gate Technology" (PDF). Intel. 2014. Retrieved 4 July 2019.
^ Despont, M; Brugger, J.; Drechsler, U.; Dürig, U.; Häberle, W.; Lutwyche, M.; Rothuizen, H.; Stutz, R.; Widmer, R. (2000). "VLSI-NEMS chip for parallel AFM data storage". Sensors and Actuators A: Physical. 80 (2): 100–107. doi:10.1016/S0924-4247(99)00254-X.
^ de Haan, S. (2006). "NEMS—emerging products and applications of nano-electromechanical systems". Nanotechnology Perceptions. 2 (3): 267–275. doi:10.4024/N14HA06.ntp.02.03. ISSN 1660-6795.
^ ITRS Home Archived 2015-12-28 at the Wayback Machine.. Itrs.net. Retrieved on 2012-11-24.
^ Massimiliano Ventra; Stephane Evoy; James R. Heflin (30 June 2004). . Springer. ISBN . Retrieved 24 November 2012.
^ Tao, Y.; Boss, J. M.; Moores, B. A.; Degen, C. L. (2014). "Single-crystal diamond nanomechanical resonators with quality factors exceeding one million". Nature Communications. 5: 3638. arXiv:1212.1347. Bibcode:2014NatCo...5.3638T. doi:10.1038/ncomms4638. PMID 24710311.
^ Tao, Ye; Degen, Christian (2013). "Facile Fabrication of Single-Crystal-Diamond Nanostructures with Ultrahigh Aspect Ratio". Advanced Materials. 25 (29): 3962–7. doi:10.1002/adma.201301343. PMID 23798476.
^ Bunch, J. S.; Van Der Zande, A. M.; Verbridge, S. S.; Frank, I. W.; Tanenbaum, D. M.; Parpia, J. M.; Craighead, H. G.; McEuen, P. L. (2007). "Electromechanical Resonators from Graphene Sheets". Science. 315 (5811): 490–493. Bibcode:2007Sci...315..490B. doi:10.1126/science.1136836. PMID 17255506.
^ Kis, A.; Zettl, A. (2008). "Nanomechanics of carbon nanotubes" (PDF). Philosophical Transactions of the Royal Society A. 366 (1870): 1591–1611. Bibcode:2008RSPTA.366.1591K. doi:10.1098/rsta.2007.2174. PMID 18192169. Archived from the original (PDF) on 2011-09-27.
^ Hermann, S; Ecke, R; Schulz, S; Gessner, T (2008). "Controlling the formation of nanoparticles for definite growth of carbon nanotubes for interconnect applications". Microelectronic Engineering. 85 (10): 1979–1983. doi:10.1016/j.mee.2008.06.019.
^ Dekker, Cees; Tans, Sander J.; Verschueren, Alwin R. M. (1998). "Room-temperature transistor based on a single carbon nanotube". Nature. 393 (6680): 49–52. Bibcode:1998Natur.393...49T. doi:10.1038/29954.
^ Westervelt, R. M. (2008). "APPLIED PHYSICS: Graphene Nanoelectronics". Science. 320 (5874): 324–325. doi:10.1126/science.1156936. PMID 18420920.
^ Bauerdick, S.; Linden, A.; Stampfer, C.; Helbling, T.; Hierold, C. (2006). "Direct wiring of carbon nanotubes for integration in nanoelectromechanical systems". Journal of Vacuum Science and Technology B. 24 (6): 3144. Bibcode:2006JVSTB..24.3144B. doi:10.1116/1.2388965. Archived from the original on 2012-03-23.
^ Collins, PG; Bradley, K; Ishigami, M; Zettl, A (2000). "Extreme oxygen sensitivity of electronic properties of carbon nanotubes". Science. 287 (5459): 1801–4. Bibcode:2000Sci...287.1801C. doi:10.1126/science.287.5459.1801. PMID 10710305.
^ Ebbesen, T. W.; Lezec, H. J.; Hiura, H.; Bennett, J. W.; Ghaemi, H. F.; Thio, T. (1996). "Electrical conductivity of individual carbon nanotubes". Nature. 382 (6586): 54–56. Bibcode:1996Natur.382...54E. doi:10.1038/382054a0.
^ Shafagh, Reza; Vastesson, Alexander; Guo, Weijin; van der Wijngaart, Wouter; Haraldsson, Tommy (2018). "E-Beam Nanostructuring and Direct Click Biofunctionalization of Thiol–Ene Resist". ACS Nano (in الإنجليزية). 12 (10): 9940–9946. doi:10.1021/acsnano.8b03709. PMID 30212184.
^ Dequesnes, Marc; Tang, Zhi; Aluru, N. R. (2004). "Static and Dynamic Analysis of Carbon Nanotube-Based Switches" (PDF). Journal of Engineering Materials and Technology. 126 (3): 230. doi:10.1115/1.1751180. Archived from the original (PDF) on 2012-12-18.
^ Ke, Changhong; Espinosa, Horacio D. (2005). "Numerical Analysis of Nanotube-Based NEMS Devices—Part I: Electrostatic Charge Distribution on Multiwalled Nanotubes" (PDF). Journal of Applied Mechanics. 72 (5): 721. Bibcode:2005JAM....72..721K. doi:10.1115/1.1985434. Archived from the original (PDF) on 2011-07-13.
^ Ke, Changhong; Espinosa, Horacio D.; Pugno, Nicola (2005). "Numerical Analysis of Nanotube Based NEMS Devices — Part II: Role of Finite Kinematics, Stretching and Charge Concentrations" (PDF). Journal of Applied Mechanics. 72 (5): 726. Bibcode:2005JAM....72..726K. doi:10.1115/1.1985435. ^[]
^ Garcia, J. C.; Justo, J. F. (2014). "Twisted ultrathin silicon nanowires: A possible torsion electromechanical nanodevice". Europhys. Lett. 108 (3): 36006. arXiv:1411.0375. Bibcode:2014EL....10836006G. doi:10.1209/0295-5075/108/36006.
^ Keblinski, P.; Nayak, S.; Zapol, P.; Ajayan, P. (2002). "Charge Distribution and Stability of Charged Carbon Nanotubes". Physical Review Letters. 89 (25): 255503. Bibcode:2002PhRvL..89y5503K. doi:10.1103/PhysRevLett.89.255503. PMID 12484896.
^ Ke, C; Espinosa, HD (2006). "In situ electron microscopy electromechanical characterization of a bistable NEMS device". Small (Weinheim an der Bergstrasse, Germany). 2 (12): 1484–9. doi:10.1002/smll.200600271. PMID 17193010.
^ Loh, O; Wei, X; Ke, C; Sullivan, J; Espinosa, HD (2011). "Robust carbon-nanotube-based nano-electromechanical devices: Understanding and eliminating prevalent failure modes using alternative electrode materials". Small (Weinheim an der Bergstrasse, Germany). 7 (1): 79–86. doi:10.1002/smll.201001166. PMID 21104780.
^ Y. Tao and C. L. Degen. "Facile Fabrication of Single-Crystal-Diamond Nanostructures with Ultra High Aspect Ratio". Advanced Materials (2013)
^ "Global Market of NEMS projection". 2012-10-24.