NEMS: NanoElectroMechanische Systemen uitgelegd – Kernkenmerken & Toepassingen

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

Ze zijn het geavanceerde miniatueriseringsniveau na MEMS (MicroElectroMechanical System) dat meestal te maken heeft met componenten tussen 1 en 100 nanometer in grootte.

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

NEMS bevat voornamelijk apparaten zoals actuatoren, sensoren, resonatoren, balken, sensoren en motoren. Deze componenten transformeren de ene vorm van energie in de andere, wat dan gemakkelijk gemeten en benut kan worden.

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 (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) met een gate-oxide-dikte van 100 nm.

Twee jaar later fabriceerden ze met succes een nanolaag-basis metaal-semiconductor junction-transistor die goudfilms bevatte met een dikte van 10 nm. De eerste MOSFET met 10 nm gate-oxide kwam pas in 1987.

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

De uitvinding van Multi-gate MOSFETs in 1989 maakte het verschillende bedrijven, waaronder Intel, IBM, AMD en Samsung Electronics, mogelijk om nog kleinere microprocessoren en geheugencellen te creëren.

VLSI (very large scale integration) proces maakte het mogelijk om miljoenen MOS-transistoren op een enkele chip te combineren. Geïntegreerde circuits werden in de jaren '70 wijd geadopteerd, wat complexe halfgeleiders en communicatietechnieken mogelijk maakte.

CPU, GPU, RAM, ROM, en andere glue logic zijn allemaal VLSI-apparaten. Voor de uitvinding van het VLSI-proces konden de meeste geïntegreerde circuits slechts een beperkt aantal taken uitvoeren.

80486-microprocessor (uit de jaren '90) met meer dan een miljoen transistoren

MOSFET wordt nu beschouwd als de basisbouwsteen van moderne elektronica. Het is voortdurend verantwoordelijk geweest voor het verhogen van de transistordichtheid, het verbeteren van prestaties en het verminderen van stroomverbruik van geïntegreerde circuits sinds de jaren '60.

MOSFET is ook een van de meest geproduceerde apparaten in de geschiedenis. Per 2018 werden er ongeveer 13 sextillion (of 13 duizend triljoen) MOSFETs geproduceerd.

Hoe worden NEMS-apparaten geproduceerd?

NEMS kunnen gefabriceerd worden met twee complementaire benaderingen:

Top-down benadering: Het gebruikt conventionele microfabricatietechnieken, zoals elektronen- of optische bundellijtografie en thermische behandelingen, om apparaten te bouwen. Hoewel het meer controle biedt over de resulterende structuren, is het beperkt door de resolutie van de gebruikte techniek.

In deze benadering zijn de startmaterialen relatief grote structuren zoals siliciumkristallen. Over het algemeen worden geëtste halfgeleiderlagen of metallische dunne films gebruikt om NEMS-apparaten te fabriceren zoals nanorods, nanowires, en gepatroneerde nano-structuren.

In sommige gevallen worden grote materialen verbrijzeld tot de nanometerschaal om de oppervlakte-tot-volume-verhouding te verhogen, wat uiteindelijk de reactiviteit van nanomaterialen verbetert. Het productieproces van koolstofnanobuizen met behulp van grafiet in een boogoven is een perfect voorbeeld van de top-down benadering.

Bottom-up benadering: Het gebruikt de chemische eigenschappen van moleculen om ze in de gewenste conformatie te organiseren of te assembleren. Deze benaderingen berusten 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 fabricatieproces, kan men veel kleinere structuren bouwen zonder veel materiaal te verspillen vergeleken met top-down benaderingen.

De bottom-up benadering kan ook in de natuur gevonden worden. Biologische systemen benutten chemische krachten om celstructuren te produceren die nodig zijn voor leven. Onderzoekers proberen dit gedrag van de natuur na te bootsen om clusters van bepaalde atomen te creëren die zichzelf kunnen assembleren in nuttige structuren.

Een goed voorbeeld van zo'n benadering is de productie van koolstofnanobuizen met behulp van een metaal-gekatalyseerde polymerisatietechniek.

Materialen gebruikt voor het maken van NEMS

1. Polydimethylsiloxane

Polydimethylsiloxane is het meest gebruikte silicium-gebaseerde organische polymer. Deze silicone-elastomeer is 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 dichte afdichting met silicium kan vormen, kan het geïntegreerd worden in NEMS, waarbij zowel elektrische als mechanische kenmerken geconfigureerd worden. De adhesiekrachten van polydimethylsiloxane presteren beter onder wisselende vochtige omstandigheden en bezitten een lagere wrijvingscoëfficiënt vergeleken met silicium.

De lage wrijvingscoëfficiënt en hydrophobiciteit van polydimethylsiloxane maken het een perfect materiaal om te incorporeren in NEMS-onderzoek. Het krijgt ook aandacht in NEMS-technologie vanwege de tijdsefficiënte en goedkope productie.

Studies tonen aan dat de degradatiesnelheid van polydimethylsiloxane in licht, warmte en straling vertraagd kan worden met passende verpakking en goede verouderingsstabiliteit.

2. Koolstof-gebaseerde materialen

Een scanning tunneling microscopy-foto van een single-walled koolstofnanobuiz | Credit: NIST

Koolstofallotropen, specifiek grafeen en koolstofnanobuizen, worden wijd gebruikt in NEMS-technologie. Hun kenmerken voldirect aan de vereisten van NEMS. Bijvoorbeeld, de halfgeleider- en metalgeleiding van koolstofallotropen stelt ze in staat om als transistoren te functioneren.

Naast de mechanische voordelen van koolstofallotropen, laten de elektrische eigenschappen van grafeen en koolstofnanobuizen toe dat ze in verschillende componenten van NEMS gebruikt worden. De fysieke sterkte van grafeen en koolstofnanobuizen voldoen aan hogere spanningsvereisten. Daarom worden ze grotendeels gebruikt in NEMS-technologische ontwikkeling.

Terwijl grafeen NEMS kan functioneren als massa- en krachtsensoren, zijn koolstofnanobuis NEMS wijd gebruikt in nanomotoren (die krachten op de orde van piconewtons genereren), schakelaars, en hoge-frequentie oscillatoren.

3. Biologische machines

Illustratie van kankerbestrijdende nanorobots

Biologische machines, zoals myosine (regelt spiercontractie), zijn de meest complexe macromoleculaire machines die in cellen worden gevonden, meestal in de vorm van multi-proteïnecomplexen.

Sommigen zijn verantwoordelijk voor energieproductie en sommigen voor genexpressie. Ze kunnen een cruciale rol spelen in nanomedicijn. Bijvoorbeeld, ze kunnen gebruikt worden om tumorcellen te detecteren en te vernietigen.

Moleculaire nanotechnologie is een opkomend veld van nanotech dat de mogelijkheid onderzoekt om biologische machines te engineeren, die materie op atoomschaal kunnen herschikken. BioNEMS omvat biologische en synthetische structurele elementen (van nanoschaal-grootte) voor biomedische/robotische toepassingen. Nanorobots kunnen bijvoorbeeld in het lichaam geïnjecteerd worden om infecties te identificeren en te repareren.

Hoewel de voorgestelde elementen van BioNEMS, zoals nanorobots en moleculaire assemblers, ver boven de huidige mogelijkheden uitstijgen, hebben diverse studies veelbelovende resultaten opgeleverd voor toekomstige toepassingen.

Lees ook: Geprogrammeerde DNA-nanorobots kunnen tumoren verkleinen

Toepassingen

NEMS fungeert als een enabling technology, die levenswetenschappen met engineering mergeert op manieren die niet haalbaar zijn met microschaal-technieken. Het zal een significante impact hebben op diverse industrieën:

Halfgeleiderindustrie: Het meest gebruikte halfgeleiderapparaat is de MOSFET. Het staat voor 99,9% van alle transistoren. Rekening houdend met de gatengte van transistoren in CPU- of DRAM-apparaten, is de kritische lengteschaal van geïntegreerde circuits al onder de 50 nanometer. Recente silicium-MOSFETs zijn gebaseerd op fin field-effect transistoren die 10 nm en 7 nm processen benutten.

Automotive: Nanomaterialen, zoals nanovellen, nanovezels nanobuizen, nanodraden, en nanorods, bieden verschillende voordelen in de autosesctor. Bijvoorbeeld, nano-additieven kunnen de levensduur van banden aanzienlijk verbeteren, evenals de slijtweerstand, rolweerstand en natte traction. NEMS is ook de sleutel tot het verbeteren van brandstofcelprestaties van toekomstige generaties waterstof-aangedreven auto's.

Communicatie: Vanwege unieke mechanische eigenschappen (die hoge resonantiefrequenties en hoge-frequentie-afstembaarheid mogelijk maken), bieden NEMS-resonatoren, inclusief grafeen-resonatoren, een veelbelovende basis voor toekomstige ultrasnelle communicatiesystemen. Echter, de meeste ontwikkelingen in dit veld zijn momenteel beperkt tot theoretische modellen, simulaties en labexperimenten.

Grafeen-elektrode voor piezo-elektrische NEMS-resonatoren | Afbeeldingscredit: Northeastern University

Medische sector: NEMS-sensoren detecteren en monitoren patiëntendata zoals waterniveau, glucoseniveau, en aanwezigheid van diverse eiwitten en ionen. Deze sensoren kunnen geconfigureerd worden om specifieke eiwitten te identificeren, variërend van humaan albumine tot bèta-2-microglobulinen. Naast monitoring kunnen ze cellen van verschillende groottes scheiden, wat verstopping in een microfluïdisch systeem voorkomt.

Energieopslag en -productie: Nanotechnologie belooft groot voor het verlengen van de levensduur en prestaties van lithium-ion-batterijen. Het heeft ook het potentieel om de energiedichtheid te verhogen, de oplaadtijd te verkorten, evenals het gewicht en de grootte te verminderen terwijl de stabiliteit en veiligheid van de batterijen verbeterd wordt.

Verder is er lopend onderzoek naar het gebruik van nanoschaal-elektrochemische apparaten, zoals galvanische of brandstofcellen, om energie te produceren. Ze zijn bio-nano-generators die stroom trekken uit bloedglucose in een levend lichaam (op dezelfde manier als het lichaam energie genereert uit voedsel).

Er is ook onderzoek naar diverse nanogestructureerde materialen, met name nanodraden, met als doel efficiëntere en goedkopere zonnecellen te ontwikkelen dan mogelijk met traditionele planaire silicium-zonnecellen.

Wereldwijde markt en toekomst

De huidige markt voor NEMS-apparaten is in de kinderschoenen. Het is gesegmenteerd in nanotweezers, nanoresonatoren, gyroscopen, nanosensoren, nanorobots, nanotweezers, en andere minuscule componenten.

Er wordt verwacht dat het robuuste groei zal vertonen in de komende jaren, toegeschreven aan NEMS-voordelen, zoals de hoge resonerende frequentie, lage energieverbruik, meerdere frequenties op een enkele chip, en grootte- en kostenreductie van geïntegreerde circuits.

Lees ook: Wat is MEMS (MicroElectroMechanical System)? Typen & Toepassing

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

Veelgestelde vragen

Wat is het verschil tussen MEMS en NEMS?

MEMS (Microelectromechanical systems) bestaan uit componenten wiens grootte varieert van 1 μm tot 100 μm. MEMS-apparaten bevatten meestal een centrale verwerkingseenheid (zoals een microprocessor) en meerdere componenten die interactie aangaan met de omgeving (zoals microsensoren).

NEMS (Nanoelectromechanical systems) zijn de volgende logische miniatueriseringsstap van MEMS. Deze apparaten integreren mechanische en elektrische functionaliteit op de nanoschaal, strikt tussen 1 en 100 nm.

Wat zijn de belangrijkste voordelen van NEMS?

NEMS hebben unieke en interessante eigenschappen, die sterk afwijken van hun voorganger MEMS. Bijvoorbeeld, ze kunnen hebben:

• Fundamentele frequenties in het microgolfbereik (ongeveer ~100 GHz)
• Actieve massa in het femtogrambereik (10⁻¹⁵ g)
• Massa-gevoeligheid tot attogram-niveau (10⁻¹⁸ g)
• Krachtsgevoeligheid op attonewton-niveau (10^-18 Newton)
• Warmtecapaciteiten ver onder een yoctocalorie (4,184 x 10⁺²⁴ J)
• Stroomverbruik in de orde van 10 attowatt (10⁻¹⁸ watt)
• Lage energie-dissipatie
• Extreme hoge integratieniveau, benaderend 10¹² elementen per vierkante centimeter

Lees ook: 14 onbekende toepassingen van nanotechnologie | Voordelen en Toepassingen

Waaruit zijn nanosensoren gemaakt?

Nanosensoren zijn gemaakt van eendimensionale nanomaterialen zoals nanobuizen en nanodraden.

Deze minuscule apparaten meten fysieke kenmerken zoals volume, concentratie, temperatuur, druk, of elektrische en magnetische krachten. De meest voorkomende nanosensor-uitlezingen omvatten mechanische, trilling-, optische, of elektromagnetische.