NEMS – Nano-elektromechanische systemen | Een eenvoudig overzicht

NEMS (afkorting van NanoElectroMechanical System) zijn apparaten die elektrische en mechanische functionaliteit integreren op nanoschaal, d.w.z. op of onder 100 nanometer.

Ze zijn het geavanceerde niveau van miniaturisatie na MEMS (MicroElectroMechanical System) dat zich meestal bezighoudt met componenten tussen 1 en 100 nanometer groot.

NEMS heeft verschillende fascinerende attributen. Het kan toegang bieden tot fundamentele frequenties in het microgolfbereik, krachtgevoeligheden op attonewton-niveau, warmtecapaciteiten ver onder een yoctocalorie, actieve massa's in het femtogrambereik, massagevoeligheid op het niveau van individuele moleculen - de lijst gaat maar door.

NEMS bevat meestal apparaten zoals actuatoren, sensoren, resonatoren, balken, sensoren en motoren. Deze componenten zetten de ene vorm van energie om in een andere, die vervolgens gemakkelijk kan worden gemeten en gebruikt.

Vroege voorbeelden van NEMS

De eerste NEMS werd in 1960 gebouwd door Dawon Kahng en Mohamed M. Atalla bij Bell Labs. Het was een MOSFET (metaaloxide-halfgeleider-veldeffecttransistor) met een poortoxidedikte van 100 nm.

Twee jaar later fabriceerden ze met succes een nanolaag-basismetaal-halfgeleiderovergangstransistor die goudfilms met een dikte van 10 nm bevatte. De eerste MOSFET met 10 nm gate-oxide kwam echter pas in 1987.

Een illustratie van een MOSFET, met body (B), source (S), gate (G) en drain (D) terminals.

Door de uitvinding van Multi-gate MOSFET's in 1989 konden verschillende bedrijven, waaronder Intel, IBM, AMD en Samsung Electronics, steeds kleinere microprocessors en geheugencellen maken.

Het VLSI-proces (zeer grootschalige integratie) maakte het mogelijk om miljoenen MOS-transistoren op een enkele chip te combineren. Deze geïntegreerde schakelingen werden in de jaren 70 op grote schaal toegepast, waardoor complexe halfgeleiders en communicatietechnieken konden worden ontwikkeld.

CPU, GPU, RAM, ROM en andere lijmlogica zijn allemaal VLSI-apparaten. Vóór de uitvinding van het VLSI-proces konden de meeste geïntegreerde schakelingen slechts een beperkt aantal taken uitvoeren.

80486 microprocessor (uit de jaren 90) met meer dan een miljoen transistors 

MOSFET wordt nu beschouwd als de basisbouwsteen van moderne elektronica. Het is sinds de jaren zestig grotendeels verantwoordelijk voor het verhogen van de transistordichtheid, het verbeteren van de prestaties en het verminderen van het stroomverbruik van geïntegreerde schakelingen.

MOSFET is ook een van de meest vervaardigde apparaten in de geschiedenis. Vanaf 2018 werden ongeveer 13 sextiljoen (of 13 duizend biljoen) MOSFET's vervaardigd.

Hoe worden NEMS-apparaten gemaakt?

NEMS kan worden vervaardigd met behulp van twee complementaire benaderingen:

Top-down benadering: Het maakt gebruik van conventionele microfabricagetechnieken, zoals elektronen- of optische bundellithografie en thermische behandelingen, om apparaten te bouwen. Hoewel het meer controle geeft over de resulterende structuren, wordt het beperkt door de resolutie van de gebruikte techniek.

In deze benadering zijn uitgangsmaterialen relatief grote structuren zoals siliciumkristallen. Over het algemeen worden geëtste halfgeleiderlagen of metallische dunne films gebruikt om NEMS-apparaten zoals nanostaafjes, nanodraden en nanostructuren met patronen te fabriceren.

In sommige gevallen worden grote materialen tot op nanometerschaal vermalen om de verhouding tussen oppervlakte en volume te vergroten, wat uiteindelijk de reactiviteit van nanomaterialen verbetert. Het fabricageproces van koolstofnanobuisjes met grafiet in een boogoven is een perfect voorbeeld van een top-down benadering.

Bottom-up benadering: Het gebruikt de chemische eigenschappen van moleculen om ze in de gewenste conformatie te organiseren of samen te stellen. Deze benaderingen zijn gebaseerd op de concepten van moleculaire herkenning (specifieke interactie tussen twee of meer moleculen) of moleculaire zelfassemblage (zonder externe richting).

Hoewel het beperkte controle biedt over het fabricageproces, kan men veel kleinere constructies bouwen zonder veel materiaal te verspillen in vergelijking met top-down benaderingen.

De bottom-up benadering is ook terug te vinden in de natuur. Biologische systemen maken bijvoorbeeld gebruik van chemische krachten om celstructuren te produceren die nodig zijn voor het leven. Onderzoekers proberen dit gedrag van de natuur te imiteren om clusters van bepaalde atomen te creëren die zichzelf kunnen assembleren tot een aantal bruikbare structuren.

Een goed voorbeeld van dergelijke benaderingen is de fabricage van koolstofnanobuisjes met behulp van een door metaal gekatalyseerde polymerisatietechniek.

Materialen die worden gebruikt voor het maken van NEMS

1. Polydimethylsiloxaan

Polydimethylsiloxaan is het meest gebruikte organische polymeer op siliciumbasis. Dit siliconenelastomeer staat bekend om zijn unieke eigenschappen. Het is thermisch stabiel, chemisch inert, mechanisch configureerbaar, optisch helder en in het algemeen niet-toxisch, inert en niet-ontvlambaar.

Omdat het een goede afdichting kan vormen met silicium, kan het worden geïntegreerd in NEMS, waarbij zowel elektrische als mechanische eigenschappen worden geconfigureerd. De adhesiekrachten van polydimethylsiloxaan presteren beter onder wisselende vochtige omgevingen en hebben een lagere wrijvingscoëfficiënt in vergelijking met silicium.

De lage wrijvingscoëfficiënt en hydrofobiciteit van polydimethylsiloxaan maken het een perfect materiaal om te worden opgenomen in NEMS-onderzoek. Het krijgt ook aandacht in de NEMS-technologie vanwege de tijdbesparende en goedkope productie.

Studies tonen aan dat de afbraaksnelheid van polydimethylsiloxaan in licht, warmte en straling kan worden vertraagd met een geschikte verpakking en een goede verouderingsstabiliteit.

2. Op koolstof gebaseerde materialen 

Een scanning tunneling microscopie foto van een enkelwandige koolstof nanobuis | Krediet:NIST

Koolstofallotropen, met name grafeen en koolstofnanobuisjes, worden veel gebruikt in de NEMS-technologie. Hun kenmerken voldoen direct aan de eis van NEMS. De halfgeleider- en metallische geleidbaarheid van koolstofallotropen stellen hen bijvoorbeeld in staat om als transistors te werken.

Naast de mechanische voordelen van koolstofallotropen, zorgen de elektrische eigenschappen van grafeen en koolstofnanobuizen ervoor dat ze in verschillende componenten van NEMS kunnen worden gebruikt. De fysieke sterkte van grafeen en koolstofnanobuisjes voldoen aan hogere stresseisen. Ze worden dus voornamelijk gebruikt in de technologische ontwikkeling van NEMS.

Terwijl Graphene NEMS kan werken als massa- en krachtsensoren, zijn de koolstofnanobuisjes NEMS op grote schaal gebruikt in nanomotoren (die krachten genereren in de orde van grootte van piconewtons), schakelaars en hoogfrequente oscillatoren.

3. Biologische machines 

Illustratie van kankerbestrijdende nanorobots 

Biologische machines, zoals myosine (verwerkt spiercontractie), zijn de meest complexe macromoleculaire machines die in cellen worden aangetroffen, meestal in de vorm van multi-eiwitcomplexen.

Sommigen van hen zijn verantwoordelijk voor de productie van energie en sommige voor genexpressie. Ze kunnen een cruciale rol spelen in de nanogeneeskunde. Ze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om tumorcellen op te sporen en te vernietigen.

Moleculaire nanotechnologie is een opkomend gebied van nanotechnologie dat de mogelijkheid onderzoekt om biologische machines te ontwerpen, die materie op atomaire schaal zouden kunnen herschikken. BioNEMS omvat biologische en synthetische structurele elementen (op nanoschaal) voor biomedische/robottoepassingen. Nanorobots kunnen bijvoorbeeld in het lichaam worden geïnjecteerd om infecties te identificeren en te herstellen.

Hoewel de voorgestelde elementen van BioNEMS, zoals nanorobots en moleculaire assemblers, de huidige mogelijkheden ver te boven gaan, hebben verschillende onderzoeken veelbelovende resultaten opgeleverd voor toekomstige toepassingen.

Lezen:Geprogrammeerde DNA-nanorobots kunnen tumor verminderen

Toepassingen

NEMS dient als een ondersteunende technologie, waarbij life sciences en engineering worden samengevoegd op manieren die momenteel niet haalbaar zijn met technieken op microschaal. Het zal een aanzienlijke impact hebben op verschillende industrieën:

Halfgeleiderindustrie: Het meest gebruikte halfgeleiderapparaat is de MOSFET. Het is goed voor 99,9% van alle transistors. Gezien de poortlengte van transistors in CPU- of DRAM-apparaten, ligt de kritische lengteschaal van geïntegreerde schakelingen al onder de 50 nanometer. Recente silicium MOSFET's zijn gebaseerd op fin-veldeffecttransistoren die gebruikmaken van 10 nm en 7 nm-processen.

Automobiel: Nanomaterialen, zoals nanosheets, nanovezels, nanobuisjes, nanodraden en nanostaafjes, bieden verschillende voordelen in de automobielsector. Nano-additieven kunnen bijvoorbeeld de levensduur van banden aanzienlijk verbeteren, evenals de slijtvastheid, rolweerstand en tractie op nat wegdek. NEMS is ook de sleutel tot het verbeteren van de brandstofcelprestaties van toekomstige generaties waterstofauto's.

Communicatie: Vanwege unieke mechanische eigenschappen (die hoge resonantiefrequenties en hoogfrequente afstembaarheid mogelijk maken), bieden NEMS-resonatoren, waaronder grafeenresonatoren, een veelbelovende basis voor toekomstige ultrasnelle communicatiesystemen. De meeste ontwikkelingen op dit gebied zijn momenteel echter beperkt tot theoretische modellen, simulaties en laboratoriumexperimenten.

Grafeenelektrode voor piëzo-elektrische NEMS-resonatoren | Afbeelding tegoed:Northeastern University 

Medische sector: NEMS-sensoren detecteren en bewaken de gegevens van patiënten, zoals het waterpeil, het glucosegehalte en de aanwezigheid van verschillende eiwitten en ionen. Deze sensoren kunnen worden geconfigureerd om bepaalde eiwitten te identificeren, variërend van humaan albumine tot bèta-2-microglobulinen. Naast monitoring kunnen ze cellen van verschillende groottes scheiden, waardoor verstopping in een microfluïdisch systeem wordt voorkomen.

Energieopslag en -productie: Nanotechnologie is veelbelovend voor het verlengen van de levensduur en prestaties van lithium-ionbatterijen. Het heeft ook het potentieel om de vermogensdichtheid te verbeteren, de oplaadtijd te verkorten en het gewicht en de afmetingen te verminderen en tegelijkertijd de stabiliteit en veiligheid van de batterijen te verbeteren.

Bovendien wordt er onderzoek gedaan naar het gebruik van elektrochemische apparaten op nanoschaal, zoals galvanische of brandstofcellen, om energie te produceren. Het zijn bio-nanogeneratoren die stroom halen uit bloedglucose in een levend lichaam (op dezelfde manier als het lichaam energie opwekt uit voedsel).

Er wordt ook onderzoek gedaan naar verschillende nanogestructureerde materialen, met name nanodraden, met als doel efficiëntere en goedkopere zonnecellen te ontwikkelen dan mogelijk is met traditionele vlakke siliciumzonnecellen.

Wereldmarkt en toekomst

De huidige markt voor NEMS-apparaten staat nog in de kinderschoenen. Het is gesegmenteerd in nanopincet, nanoresonators, gyroscopen, nanosensoren, nanorobots, nanopincet en andere kleine componenten.

Verwacht wordt dat het de komende jaren een sterke groei zal zien, die wordt toegeschreven aan NEMS-voordelen, zoals de hoge resonantiefrequentie, het lage energieverbruik, meerdere frequenties op de enkele chip en de grootte en kostenreductie van geïntegreerde schakelingen.

Lezen:Wat is MEMS (MicroElectroMechanical System)? Soorten &Toepassing

Onderzoek en ontwikkeling op het gebied van nanomaterialen en nanotechnologie zijn in volle gang. Volgens rapporten zal de wereldwijde NEMS-markt naar verwachting groeien met een CAGR van 29%. Het zal in 2022 $ 108,88 miljoen bereiken, waarbij Noord-Amerika de markt leidt.

Veelgestelde vragen

Wat is het verschil tussen MEMS en NEMS?

MEMS (Micro-elektromechanische systemen) bestaan ​​uit componenten waarvan de grootte varieert van 1 m tot 100 m. MEMS-apparaten bevatten meestal een centrale verwerkingseenheid (zoals een microprocessor) en meerdere componenten die interageren met de omgeving (zoals microsensoren).

NEMS (Nano-elektromechanische systemen) zijn daarentegen de volgende logische miniaturisatiestap van MEMS. Deze apparaten integreren mechanische en elektrische functionaliteit op nanoschaal, strikt tussen 1 en 100 nm.

Wat zijn de grote voordelen van NEMS?

NEMS hebben unieke en interessante eigenschappen, die sterk afwijken van hun voorganger MEMS. Ze kunnen bijvoorbeeld

• Fundamentele frequenties in het microgolfbereik (ongeveer ∼100 GHz)
• Actieve massa in het femtogrambereik (10 ⁻¹⁵ g)
• Massagevoeligheid tot attogramniveaus (10 ⁻¹⁸ g)
• Gevoeligheid forceren op attonewton-niveau (10 ^-18 Newton)
• Warmtecapaciteiten ver beneden een yoctocalorie (4.184 x 10 ⁺²⁴ J)
• Energieverbruik in de orde van 10 attowatt (10 ⁻¹⁸ watt)
• Lage energiedissipatie
• Extreem hoog integratieniveau, bijna 1.012 elementen per vierkante centimeter

Lees:14 onbekende toepassingen van nanotechnologie | Voordelen en toepassingen

Waar zijn nanosensoren van gemaakt?

Nanosensoren zijn gemaakt van eendimensionale nanomaterialen zoals nanobuisjes en nanodraden.

Deze kleine apparaten meten fysieke kenmerken zoals volume, concentratie, temperatuur, druk of elektrische en magnetische krachten. De meest voorkomende uitlezingen van nanosensoren zijn mechanisch, vibrerend, optisch of elektromagnetisch.