Sistemas nanoeletromecânicos - Nanoelectromechanical systems

Um die shot (após metalização / remoção da interconexão IC) do die digital do SiTime SiT8008, um oscilador programável atingindo precisão de quartzo com alta confiabilidade e baixa sensibilidade g. Os transistores em nanoescala e componentes mecânicos em nanoescala (em uma matriz separada) são integrados no mesmo pacote de chip.

Os sistemas nanoeletromecânicos ( NEMS ) são uma classe de dispositivos que integram funcionalidades elétricas e mecânicas em nanoescala . O NEMS constitui a próxima etapa de miniaturização lógica dos chamados sistemas microeletromecânicos ou dispositivos MEMS. O NEMS normalmente integra nanoeletrônica semelhante a um transistor com atuadores mecânicos, bombas ou motores e pode, assim, formar sensores físicos, biológicos e químicos . O nome deriva de dimensões de dispositivo típicas na faixa nanométrica , levando a baixa massa, altas frequências de ressonância mecânica, efeitos mecânicos quânticos potencialmente grandes , como movimento de ponto zero , e uma alta proporção de superfície para volume útil para mecanismos de detecção baseados em superfície. As aplicações incluem acelerômetros e sensores para detectar substâncias químicas no ar.

História

Fundo

Conforme observado por Richard Feynman em sua famosa palestra em 1959, " Há muito espaço no fundo ", existem muitas aplicações potenciais de máquinas em tamanhos cada vez menores; ao construir e controlar dispositivos em escalas menores, todos os benefícios da tecnologia. Os benefícios esperados incluem maior eficiência e tamanho reduzido, menor consumo de energia e menores custos de produção em sistemas eletromecânicos.

Em 1960, Mohamed M. Atalla e Dawon Kahng da Bell Labs fabricaram o primeiro MOSFET com uma espessura de óxido de porta de 100 nm . Em 1962, Atalla e Kahng fabricada uma nanocamada -base junção de metal-semicondutor (junção H-S) de transistor que é utilizado ouro (Au) de filmes finos com uma espessura de 10 nm . Em 1987, Bijan Davari liderou uma equipe de pesquisa da IBM que demonstrou o primeiro MOSFET com uma espessura de óxido de 10 nm. MOSFETs multiportas habilitados para escalonamento abaixo de 20 nm de comprimento de canal, começando com o FinFET . Os origina FinFET da pesquisa de Digh Hisamoto em Hitachi Laboratório Central Research em 1989. No UC Berkeley , um grupo liderado por Hisamoto e TSMC 's Chenming Hu fabricados dispositivos FinFET até 17  nm, comprimento de canal em 1998.

NEMS

Em 2000, o primeiro dispositivo NEMS de integração de muito grande escala (VLSI) foi demonstrado por pesquisadores da IBM. Sua premissa era uma série de pontas AFM que podem aquecer / detectar um substrato deformável para funcionar como um dispositivo de memória. Outros dispositivos foram descritos por Stefan de Haan. Em 2007, o International Technical Roadmap for Semiconductors (ITRS) contém memória NEMS como uma nova entrada para a seção Emerging Research Devices.

Força atômica microscópica

Uma aplicação chave do NEMS são as pontas de microscópio de força atômica . A sensibilidade aumentada alcançada pelo NEMS leva a sensores menores e mais eficientes para detectar tensões, vibrações, forças no nível atômico e sinais químicos. As pontas de AFM e outras detecções em nanoescala dependem muito do NEMS.

Abordagens para miniaturização

Duas abordagens complementares para a fabricação de NEMS podem ser encontradas. A abordagem top-down usa os métodos tradicionais de microfabricação, ou seja , óptico , litografia por feixe de elétrons e tratamentos térmicos, para fabricar dispositivos. Embora limitado pela resolução desses métodos, permite um grande grau de controle sobre as estruturas resultantes. Desta forma, dispositivos como nanofios , nanobastões e nanoestruturas padronizadas são fabricados a partir de filmes finos metálicos ou camadas semicondutoras gravadas . Para abordagens de cima para baixo, o aumento da razão entre a área de superfície e o volume aumenta a reatividade dos nanomateriais.

As abordagens ascendentes, em contraste, usam as propriedades químicas de moléculas únicas para fazer com que os componentes de uma única molécula se auto-organizem ou se auto-montem em alguma conformação útil, ou dependem da montagem posicional. Essas abordagens utilizam os conceitos de automontagem molecular e / ou reconhecimento molecular . Isso permite a fabricação de estruturas muito menores, embora muitas vezes ao custo de um controle limitado do processo de fabricação. Além disso, embora haja resíduos de materiais removidos da estrutura original para a abordagem de cima para baixo, o mínimo de material é removido ou desperdiçado para a abordagem de baixo para cima.

Uma combinação dessas abordagens também pode ser usada, em que as moléculas em nanoescala são integradas em uma estrutura de cima para baixo. Um exemplo é o nanomotor de nanotubo de carbono .

Materiais

Alótropos de carbono

Muitos dos materiais comumente usados ​​para a tecnologia NEMS foram baseados em carbono , especificamente diamante , nanotubos de carbono e grafeno . Isso se deve principalmente às propriedades úteis dos materiais à base de carbono, que atendem diretamente às necessidades do NEMS. As propriedades mecânicas do carbono (como o grande módulo de Young ) são fundamentais para a estabilidade do NEMS, enquanto as condutividades metálicas e semicondutoras dos materiais à base de carbono permitem que funcionem como transistores .

Tanto o grafeno quanto o diamante exibem alto módulo de Young, baixa densidade, baixo atrito, dissipação mecânica excessivamente baixa e grande área de superfície. O baixo atrito dos CNTs permite rolamentos praticamente sem atrito e, portanto, tem sido uma grande motivação para as aplicações práticas dos CNTs como elementos constitutivos em NEMS, como nanomotores , interruptores e osciladores de alta frequência. Os nanotubos de carbono e a resistência física do grafeno permitem que os materiais à base de carbono atendam às demandas de maior tensão, quando os materiais comuns normalmente falham e, portanto, apoiam ainda mais seu uso como um dos principais materiais no desenvolvimento tecnológico da NEMS.

Junto com os benefícios mecânicos dos materiais à base de carbono, as propriedades elétricas dos nanotubos de carbono e do grafeno permitem que ele seja usado em muitos componentes elétricos do NEMS. Os nanotransistores foram desenvolvidos tanto para nanotubos de carbono quanto para grafeno. Os transistores são um dos blocos de construção básicos para todos os dispositivos eletrônicos, portanto, ao desenvolver efetivamente transistores utilizáveis, os nanotubos de carbono e o grafeno são cruciais para o NEMS.

Ressonadores nanomecânicos são freqüentemente feitos de grafeno. Como os ressonadores NEMS são reduzidos em tamanho, há uma tendência geral para uma diminuição no fator de qualidade na proporção inversa da área de superfície para a relação de volume. No entanto, apesar desse desafio, foi provado experimentalmente que atinge um fator de qualidade tão alto quanto 2400. O fator de qualidade descreve a pureza do tom das vibrações do ressonador. Além disso, foi teoricamente previsto que a fixação de membranas de grafeno em todos os lados resulta em números de qualidade aumentados. O grafeno NEMS também pode funcionar como sensores de massa, força e posição.

Nanotubos de carbono metálico

Estruturas de banda calculadas usando aproximação de ligação estreita para (6,0) CNT ( ziguezague , metálico), (10,2) CNT (semicondutor) e (10,10) CNT (poltrona, metálico)

Nanotubos de carbono (CNTs) são alótropos de carbono com uma nanoestrutura cilíndrica. Eles podem ser considerados um grafeno enrolado . Quando rolado em ângulos específicos e discretos (" quirais "), e a combinação do ângulo de rolagem e raio decidem se o nanotubo tem um bandgap (semicondutor) ou nenhum bandgap (metálico).

Nanotubos de carbono metálico também foram propostos para interconexões nanoeletrônicas, uma vez que podem transportar altas densidades de corrente. Esta é uma propriedade útil, pois os fios para transferir a corrente são outro bloco básico de construção de qualquer sistema elétrico. Os nanotubos de carbono encontraram especificamente tanto uso no NEMS que já foram descobertos métodos para conectar nanotubos de carbono suspensos a outras nanoestruturas. Isso permite que os nanotubos de carbono formem sistemas nanoelétricos complicados. Como os produtos à base de carbono podem ser adequadamente controlados e agir como interconexões, bem como transistores, eles servem como um material fundamental nos componentes elétricos do NEMS.

Comutadores NEMS baseados em CNT

Uma grande desvantagem das chaves MEMS em relação às chaves NEMS são as velocidades de comutação de intervalo de microssegundos limitadas de MEMS, o que impede o desempenho para aplicativos de alta velocidade. As limitações na velocidade de comutação e na tensão de atuação podem ser superadas diminuindo a escala dos dispositivos da escala micro para nanométrica. Uma comparação dos parâmetros de desempenho entre os comutadores NEMS baseados em nanotubos de carbono (CNT) com sua contraparte CMOS revelou que os comutadores NEMS baseados em CNT mantiveram o desempenho em níveis mais baixos de consumo de energia e tiveram uma corrente de fuga subliminar várias ordens de magnitude menor do que os comutadores CMOS . NEMS baseados em CNT com estruturas duplamente fixadas estão sendo estudados como soluções potenciais para aplicações de memória não volátil de porta flutuante.

Dificuldades

Apesar de todas as propriedades úteis dos nanotubos de carbono e grafeno para a tecnologia NEMS, ambos os produtos enfrentam vários obstáculos para sua implementação. Um dos principais problemas é a resposta do carbono aos ambientes da vida real. Os nanotubos de carbono exibem uma grande mudança nas propriedades eletrônicas quando expostos ao oxigênio . Da mesma forma, outras mudanças nos atributos eletrônicos e mecânicos de materiais à base de carbono devem ser totalmente exploradas antes de sua implementação, especialmente por causa de sua alta área de superfície que pode facilmente reagir com os ambientes circundantes. Os nanotubos de carbono também apresentaram condutividades variáveis, sendo metálicos ou semicondutores, dependendo de sua helicidade quando processados. Por causa disso, um tratamento especial deve ser dado aos nanotubos durante o processamento para garantir que todos os nanotubos tenham condutividades adequadas. O grafeno também tem propriedades complicadas de condutividade elétrica em comparação com os semicondutores tradicionais porque não tem uma diferença de banda de energia e, essencialmente, muda todas as regras de como os elétrons se movem através de um dispositivo baseado em grafeno. Isso significa que as construções tradicionais de dispositivos eletrônicos provavelmente não funcionarão e arquiteturas completamente novas devem ser projetadas para esses novos dispositivos eletrônicos.

Acelerômetro nanoeletromecânico

As propriedades mecânicas e eletrônicas do grafeno o tornaram favorável para integração em acelerômetros NEMS, como pequenos sensores e atuadores para sistemas de monitoramento cardíaco e captura móvel de movimento. A espessura da escala atômica do grafeno fornece um caminho para que os acelerômetros sejam reduzidos de micro para nanoescala, mantendo os níveis de sensibilidade exigidos do sistema.

Ao suspender uma massa à prova de silício em uma fita de grafeno de camada dupla, uma massa de mola em nanoescala e um transdutor piezoresistivo podem ser feitos com a capacidade de transdutores produzidos atualmente em acelerômetros. A massa da mola fornece maior precisão e as propriedades piezoresistivas do grafeno convertem a deformação da aceleração em sinais elétricos para o acelerômetro. A fita de grafeno suspensa forma simultaneamente a mola e o transdutor piezoresistivo, fazendo uso eficiente do espaço e melhorando o desempenho dos acelerômetros NEMS.

Polidimetilsiloxano (PDMS)

Falhas decorrentes de alta adesão e fricção são motivo de preocupação para muitos NEMS. NEMS freqüentemente utiliza silício devido a técnicas de microusinagem bem caracterizadas; no entanto, sua rigidez intrínseca muitas vezes dificulta a capacidade de dispositivos com peças móveis.

Um estudo conduzido por pesquisadores do estado de Ohio comparou os parâmetros de adesão e fricção de um único cristal de silício com camada de óxido nativo contra revestimento de PDMS. PDMS é um elastômero de silicone altamente ajustável mecanicamente, quimicamente inerte, termicamente estável, permeável a gases, transparente, não fluorescente, biocompatível e não tóxico. Inerente aos polímeros, o Módulo de Young do PDMS pode variar mais de duas ordens de magnitude, manipulando a extensão da reticulação das cadeias de polímeros, tornando-o um material viável em NEMS e aplicações biológicas. O PDMS pode formar uma vedação hermética com silício e, portanto, ser facilmente integrado à tecnologia NEMS, otimizando as propriedades mecânicas e elétricas. Polímeros como o PDMS estão começando a ganhar atenção no NEMS devido à sua prototipagem e fabricação relativamente baratas, simplificadas e com economia de tempo.

O tempo de descanso foi caracterizado por se correlacionar diretamente com a força adesiva, e o aumento da umidade relativa leva a um aumento das forças adesivas para polímeros hidrofílicos. As medições do ângulo de contato e os cálculos da força de Laplace suportam a caracterização da natureza hidrofóbica do PDMS, que corresponde, de maneira esperada, à sua independência experimentalmente verificada em relação à umidade relativa. As forças adesivas do PDMS também são independentes do tempo de descanso, capazes de funcionar de maneira versátil sob condições variáveis ​​de umidade relativa e possui um coeficiente de atrito menor do que o do silício. Os revestimentos PDMS facilitam a mitigação de problemas de alta velocidade, como prevenção de deslizamento. Assim, o atrito nas superfícies de contato permanece baixo, mesmo em velocidades consideravelmente altas. Na verdade, na microescala, o atrito reduz com o aumento da velocidade. A hidrofobicidade e o baixo coeficiente de atrito do PDMS deram origem ao seu potencial em ser ainda mais incorporado nos experimentos NEMS que são conduzidos em diferentes umidades relativas e altas velocidades de deslizamento relativas.

Diafragma de sistemas nanoeletromecânicos piezoresistivos revestidos com PDMS

O PDMS é freqüentemente usado na tecnologia NEMS. Por exemplo, o revestimento PDMS em um diafragma pode ser usado para detecção de vapor de clorofórmio.

Pesquisadores da Universidade Nacional de Cingapura inventaram um diafragma de sistema nanoeletromecânico revestido com polidimetilsiloxano (PDMS) e incorporado com nanofios de silício (SiNWs) para detectar vapor de clorofórmio em temperatura ambiente. Na presença de vapor de clorofórmio, o filme de PDMS no microdiafragma absorve as moléculas de vapor e, consequentemente, aumenta de tamanho, levando à deformação do microdiafragma. Os SiNWs implantados no microdiafragma são ligados por uma ponte de Wheatstone, que traduz a deformação em uma tensão de saída quantitativa. Além disso, o sensor de microdiafragma também demonstra processamento de baixo custo com baixo consumo de energia. Ele possui grande potencial de escalabilidade, pegada ultracompacta e compatibilidade de processo CMOS-IC. Ao trocar a camada de polímero de absorção de vapor, métodos semelhantes podem ser aplicados que, teoricamente, deveriam ser capazes de detectar outros vapores orgânicos.

Além de suas propriedades inerentes discutidas na seção Materiais, o PDMS pode ser usado para absorver clorofórmio, cujos efeitos são comumente associados ao inchaço e deformação do microdiafragma; vários vapores orgânicos também foram medidos neste estudo. Com boa estabilidade ao envelhecimento e embalagem apropriada, a taxa de degradação do PDMS em resposta ao calor, luz e radiação pode ser reduzida.

Biohybrid NEMS

O campo emergente de sistemas bio-híbridos combina elementos estruturais biológicos e sintéticos para aplicações biomédicas ou robóticas. Os elementos constituintes dos sistemas bio-nanoeletromecânicos (BioNEMS) são de tamanho nanoescala, por exemplo DNA, proteínas ou partes mecânicas nanoestruturadas. Os exemplos incluem a nanoestruturação fácil de cima para baixo de polímeros de tiol-eno para criar nanoestruturas reticuladas e mecanicamente robustas que são subsequentemente funcionalizadas com proteínas.

Simulações

Simulações de computador há muito são contrapartes importantes para estudos experimentais de dispositivos NEMS. Por meio da mecânica contínua e da dinâmica molecular (MD), comportamentos importantes dos dispositivos NEMS podem ser previstos por meio de modelagem computacional antes de iniciar os experimentos. Além disso, a combinação de técnicas contínuas e MD permite que os engenheiros analisem com eficiência a estabilidade dos dispositivos NEMS sem recorrer a malhas ultrafinas e simulações demoradas. As simulações também têm outras vantagens: elas não requerem o tempo e a experiência associados à fabricação de dispositivos NEMS; eles podem prever efetivamente os papéis inter-relacionados de vários efeitos eletromecânicos; e estudos paramétricos podem ser conduzidos com bastante rapidez em comparação com abordagens experimentais. Por exemplo, estudos computacionais previram as distribuições de carga e respostas eletromecânicas "pull-in" de dispositivos NEMS. O uso de simulações para prever o comportamento mecânico e elétrico desses dispositivos pode ajudar a otimizar os parâmetros de projeto do dispositivo NEMS.

Confiabilidade e ciclo de vida do NEMS                                                                 

Confiabilidade e desafios

A confiabilidade fornece uma medida quantitativa da integridade e do desempenho do componente sem falhas durante a vida útil do produto especificada. A falha dos dispositivos NEMS pode ser atribuída a uma variedade de fontes, como fatores mecânicos, elétricos, químicos e térmicos. Identificar mecanismos de falha, melhorar o rendimento, a escassez de informações e os problemas de reprodutibilidade foram identificados como os principais desafios para alcançar níveis mais altos de confiabilidade para dispositivos NEMS. Esses desafios surgem durante as fases de fabricação (ou seja, processamento de wafer, embalagem, montagem final) e estágios de pós-fabricação (ou seja, transporte, logística, uso).

Embalagem                                                  

Os desafios de embalagem costumam ser responsáveis ​​por 75–95% dos custos gerais de MEMS e NEMS. Fatores de corte em cubos, espessura do dispositivo, sequência de liberação final, expansão térmica, isolamento de tensão mecânica, energia e dissipação de calor, minimização de fluência, isolamento de mídia e revestimentos protetores são considerados pelo design de embalagem para se alinhar com o design do componente MEMS ou NEMS . A análise de delaminação, a análise de movimento e o teste de tempo de vida têm sido usados ​​para avaliar as técnicas de encapsulamento em nível de wafer, como cap to wafer, wafer para wafer e encapsulamento de filme fino. As técnicas de encapsulamento em nível de wafer podem levar a uma maior confiabilidade e maior rendimento para micro e nanodispositivos.

Manufatura

Avaliar a confiabilidade do NEMS nos estágios iniciais do processo de fabricação é essencial para a melhoria do rendimento. Formas de forças de superfície, como adesão e forças eletrostáticas, são amplamente dependentes da topografia da superfície e geometria de contato. A fabricação seletiva de superfícies nano-texturizadas reduz a área de contato, melhorando a adesão e o desempenho de fricção para NEMS. Além disso, a implementação de nanopost em superfícies projetadas aumenta a hidrofobicidade, levando a uma redução na adesão e no atrito.

A adesão e o atrito também podem ser manipulados por nanopadronização para ajustar a rugosidade da superfície para as aplicações apropriadas do dispositivo NEMS. Pesquisadores da Ohio State University usaram microscopia atômica / de força de fricção (AFM / FFM) para examinar os efeitos da nanopadronização na hidrofobicidade, adesão e fricção para polímeros hidrofílicos com dois tipos de asperezas padronizadas (baixa proporção e alta proporção). Verificou-se que aspereza em superfícies hidrofílicas versus superfícies hidrofóbicas têm relações inversamente correlacionadas e diretamente correlacionadas, respectivamente.

Devido à sua grande área de superfície para relação de volume e sensibilidade, a adesão e o atrito podem impedir o desempenho e a confiabilidade dos dispositivos NEMS. Essas questões tribológicas surgem da redução natural dessas ferramentas; no entanto, o sistema pode ser otimizado por meio da manipulação do material estrutural, películas de superfície e lubrificante. Em comparação com os filmes de Si ou polissilício não dopados, os filmes de SiC possuem a saída de atrito mais baixa, resultando em maior resistência a arranhões e funcionalidade aprimorada em altas temperaturas. Os revestimentos de carbono tipo diamante duro (DLC) apresentam baixo atrito, alta dureza e resistência ao desgaste, além de resistências químicas e elétricas. A aspereza, um fator que reduz o umedecimento e aumenta a hidrofobicidade, pode ser otimizada aumentando o ângulo de contato para reduzir o umedecimento e permitir baixa adesão e interação do dispositivo com seu ambiente.

As propriedades do material dependem do tamanho. Portanto, analisar as características exclusivas do NEMS e do material em nanoescala torna-se cada vez mais importante para manter a confiabilidade e a estabilidade de longo prazo dos dispositivos NEMS. Algumas propriedades mecânicas, como dureza, módulo de elasticidade e testes de curvatura, para nanomateriais são determinadas usando um nano indentador em um material que passou por processos de fabricação. Essas medições, no entanto, não consideram como o dispositivo funcionará na indústria sob tensões e tensões prolongadas ou cíclicas. A estrutura theta é um modelo NEMS que exibe propriedades mecânicas exclusivas. Composta por Si, a estrutura possui alta resistência e é capaz de concentrar tensões em nanoescala para medir certas propriedades mecânicas dos materiais.

Tensões residuais

Para aumentar a confiabilidade da integridade estrutural, a caracterização da estrutura do material e das tensões intrínsecas em escalas de comprimento apropriadas torna-se cada vez mais pertinente. Os efeitos das tensões residuais incluem, mas não estão limitados a fratura, deformação, delaminação e alterações estruturais nanométricas, que podem resultar em falha de operação e deterioração física do dispositivo.

As tensões residuais podem influenciar as propriedades elétricas e ópticas. Por exemplo, em várias aplicações fotovoltaicas e de diodos emissores de luz (LED), a energia do gap de banda dos semicondutores pode ser ajustada de acordo com os efeitos da tensão residual.

A microscopia de força atômica (AFM) e a espectroscopia Raman podem ser usadas para caracterizar a distribuição de tensões residuais em filmes finos em termos de imagem de volume de força, topografia e curvas de força. Além disso, a tensão residual pode ser usada para medir a temperatura de fusão das nanoestruturas usando calorimetria de varredura diferencial (DSC) e difração de raios-X dependente da temperatura (XRD).

Futuro

Os principais obstáculos que atualmente impedem a aplicação comercial de muitos dispositivos NEMS incluem baixo rendimento e alta variabilidade de qualidade do dispositivo. Antes que os dispositivos NEMS possam realmente ser implementados, integrações razoáveis ​​de produtos à base de carbono devem ser criadas. Um passo recente nessa direção foi demonstrado para o diamante, atingindo um nível de processamento comparável ao do silício. O foco está atualmente mudando do trabalho experimental para aplicações práticas e estruturas de dispositivos que irão implementar e lucrar com esses novos dispositivos. O próximo desafio a ser superado envolve a compreensão de todas as propriedades dessas ferramentas baseadas em carbono e o uso das propriedades para fazer um NEMS eficiente e durável com baixas taxas de falha.

Os materiais à base de carbono têm servido como materiais primários para uso NEMS, devido às suas propriedades mecânicas e elétricas excepcionais.

O mercado global de NEMS está projetado para atingir $ 108,88 milhões até 2022.

Formulários

Relé nanoeletromecânico

Espectrômetro de massa de sistemas nanoeletromecânicos

Cantiléveres baseados em nanoeletromecânicos

Pesquisadores do California Institute of Technology desenvolveram um cantilever baseado em NEM com ressonâncias mecânicas de até frequências muito altas (VHF). A incorporação de transdutores de deslocamento eletrônico baseados em filme de metal fino piezoresistivo facilita a leitura inequívoca e eficiente de nanodispositivos. A funcionalização da superfície do dispositivo usando um revestimento de polímero fino com alto coeficiente de partição para as espécies-alvo permite que os cantilevers baseados em NEMS forneçam medições de quimissorção em temperatura ambiente com resolução de massa em menos de um attograma. Recursos adicionais de cantiléveres baseados em NEMS foram explorados para as aplicações de sensores, sondas de varredura e dispositivos operando em frequência muito alta (100 MHz).

Referências