stringtranslate.com

Sistemas nanoelectromecánicos

Imagen de la matriz digital del SiTime SiT8008 (después de la metalización y la eliminación de la interconexión de los circuitos integrados), un oscilador programable que alcanza la precisión de cuarzo con alta confiabilidad y baja sensibilidad a las fuerzas gravitacionales. Los transistores a escala nanométrica y los componentes mecánicos a escala nanométrica (en una matriz separada) están integrados en el mismo paquete de chip. [1]

Los sistemas nanoelectromecánicos ( NEMS ) son una clase de dispositivos que integran funcionalidad eléctrica y mecánica en la nanoescala . Los NEMS forman el siguiente paso lógico de miniaturización de los llamados sistemas microelectromecánicos o dispositivos MEMS. Los NEMS generalmente integran nanoelectrónica similar a transistores con actuadores mecánicos , bombas o motores, y pueden formar así sensores físicos, biológicos y químicos . El nombre deriva de las dimensiones típicas de los dispositivos en el rango nanométrico , lo que lleva a baja masa, altas frecuencias de resonancia mecánica, efectos mecánicos cuánticos potencialmente grandes como el movimiento del punto cero y una alta relación superficie-volumen útil para mecanismos de detección basados ​​en superficies. [2] Las aplicaciones incluyen acelerómetros y sensores para detectar sustancias químicas en el aire.

Historia

Fondo

Como señaló Richard Feynman en su famosa charla de 1959, " Hay mucho espacio en la base ", existen muchas aplicaciones potenciales de máquinas de tamaños cada vez más pequeños; al construir y controlar dispositivos a escalas más pequeñas, toda la tecnología se beneficia. Los beneficios esperados incluyen mayor eficiencia y tamaño reducido, menor consumo de energía y menores costos de producción en sistemas electromecánicos. [2]

Los primeros transistores de efecto de campo de dióxido de silicio fueron construidos por Frosch y Derick en 1957 en Bell Labs. [3] En 1960, Atalla y Kahng en Bell Labs fabricaron un MOSFET con un espesor de óxido de compuerta de 100 nm . [4] En 1962, Atalla y Kahng fabricaron un transistor de unión metal-semiconductor (unión M-S) con base en nanocapas que usaba películas delgadas de oro (Au) con un espesor de 10 nm . [5] En 1987, Bijan Davari dirigió un equipo de investigación de IBM que demostró el primer MOSFET con un espesor de óxido de 10 nm. [6] Los MOSFET de múltiples compuertas permitieron escalar por debajo de los 20 nm de longitud de canal, comenzando con el FinFET . [7] El FinFET se origina a partir de la investigación de Digh Hisamoto en el Laboratorio de Investigación Central de Hitachi en 1989. [8] [9] [10] [11] En UC Berkeley , un grupo dirigido por Hisamoto y Chenming Hu de TSMC fabricó dispositivos FinFET con una longitud de canal de hasta 17 nm en 1998. [7]

Sistema de mensajes no especificados

En 2000, los investigadores de IBM demostraron el primer dispositivo NEMS de integración a muy gran escala (VLSI). Su premisa era una matriz de puntas AFM que pueden calentar/detectar un sustrato deformable para funcionar como un dispositivo de memoria ( memoria Millipede ). [12] Stefan de Haan describió otros dispositivos. [13] En 2007, la Hoja de Ruta Técnica Internacional para Semiconductores (ITRS) [14] incluye la memoria NEMS como una nueva entrada para la sección de Dispositivos de Investigación Emergentes.

Microscopía de fuerza atómica

Una aplicación clave de NEMS son las puntas de microscopios de fuerza atómica . La mayor sensibilidad lograda por NEMS da lugar a sensores más pequeños y eficientes para detectar tensiones, vibraciones, fuerzas a nivel atómico y señales químicas. [15] Las puntas de AFM y otras detecciones a escala nanométrica dependen en gran medida de NEMS.

Enfoques de la miniaturización

Se pueden encontrar dos enfoques complementarios para la fabricación de NEMS: el enfoque de arriba hacia abajo y el enfoque de abajo hacia arriba.

El enfoque de arriba hacia abajo utiliza los métodos tradicionales de microfabricación , es decir, la litografía óptica , la litografía por haz de electrones y los tratamientos térmicos, para fabricar dispositivos. Si bien está limitado por la resolución de estos métodos, permite un alto grado de control sobre las estructuras resultantes. De esta manera, los dispositivos como nanocables , nanobarras y nanoestructuras estampadas se fabrican a partir de películas delgadas metálicas o capas de semiconductores grabadas . Para los enfoques de arriba hacia abajo, aumentar la relación entre el área de superficie y el volumen mejora la reactividad de los nanomateriales. [16]

En cambio, los enfoques ascendentes utilizan las propiedades químicas de moléculas individuales para hacer que los componentes de una sola molécula se autoorganicen o autoensamblen en alguna conformación útil, o se basan en el ensamblaje posicional. Estos enfoques utilizan los conceptos de autoensamblaje molecular y/o reconocimiento molecular . Esto permite la fabricación de estructuras mucho más pequeñas, aunque a menudo a costa de un control limitado del proceso de fabricación. Además, mientras que en el enfoque descendente se eliminan materiales residuales de la estructura original, en el enfoque ascendente se elimina o desperdicia un mínimo de material. [16]

También se puede utilizar una combinación de estos enfoques, en la que las moléculas a escala nanométrica se integran en un marco descendente. Un ejemplo de ello es el nanomotor de nanotubos de carbono . [ cita requerida ]

Materiales

Alótropos del carbono

Muchos de los materiales comúnmente utilizados para la tecnología NEMS han sido a base de carbono , específicamente diamante , [17] [18] nanotubos de carbono y grafeno . Esto se debe principalmente a las propiedades útiles de los materiales a base de carbono que satisfacen directamente las necesidades de NEMS. Las propiedades mecánicas del carbono (como el gran módulo de Young ) son fundamentales para la estabilidad de NEMS mientras que las conductividades metálicas y semiconductoras de los materiales a base de carbono les permiten funcionar como transistores .

Tanto el grafeno como el diamante presentan un alto módulo de Young, baja densidad, baja fricción, disipación mecánica extremadamente baja, [17] y gran área superficial. [19] [20] La baja fricción de los CNT permite cojinetes prácticamente sin fricción y, por lo tanto, ha sido una gran motivación hacia las aplicaciones prácticas de los CNT como elementos constitutivos en NEMS, como nanomotores , interruptores y osciladores de alta frecuencia. [20] Los nanotubos de carbono y la resistencia física del grafeno permiten que los materiales a base de carbono satisfagan demandas de mayor estrés, cuando los materiales comunes normalmente fallarían y, por lo tanto, respaldan aún más su uso como materiales principales en el desarrollo tecnológico de NEMS. [21]

Además de los beneficios mecánicos de los materiales basados ​​en carbono, las propiedades eléctricas de los nanotubos de carbono y el grafeno permiten su uso en muchos componentes eléctricos de los sistemas NEMS. Se han desarrollado nanotransistores tanto para nanotubos de carbono [22] como para grafeno. [23] Los transistores son uno de los componentes básicos de todos los dispositivos electrónicos, por lo que, al desarrollar transistores utilizables de manera eficaz, los nanotubos de carbono y el grafeno son cruciales para los sistemas NEMS.

Los resonadores nanomecánicos suelen estar hechos de grafeno. A medida que los resonadores NEMS se reducen en tamaño, existe una tendencia general a una disminución del factor de calidad en proporción inversa a la relación entre el área de superficie y el volumen. [24] Sin embargo, a pesar de este desafío, se ha demostrado experimentalmente que se puede alcanzar un factor de calidad tan alto como 2400. [25]   El factor de calidad describe la pureza del tono de las vibraciones del resonador. Además, se ha predicho teóricamente que sujetar las membranas de grafeno en todos los lados produce números de calidad mayores. Los NEMS de grafeno también pueden funcionar como sensores de masa [26] , fuerza [27] y posición [28] .

Nanotubos de carbono metálicos

Estructuras de bandas calculadas utilizando una aproximación de enlace fuerte para CNT (6,0) ( zigzag , metálico), CNT (10,2) (semiconductores) y CNT (10,10) (sillón, metálico)

Los nanotubos de carbono (CNT) son alótropos del carbono con una nanoestructura cilíndrica. Se los puede considerar como un grafeno enrollado . Cuando se enrollan en ángulos específicos y discretos (" quirales "), la combinación del ángulo de enrollado y el radio decide si el nanotubo tiene una banda prohibida (semiconductores) o no tiene banda prohibida (metálico).

También se han propuesto nanotubos de carbono metálicos para interconexiones nanoelectrónicas , ya que pueden transportar altas densidades de corriente. [21] Esta es una propiedad útil, ya que los cables para transferir corriente son otro componente básico de cualquier sistema eléctrico. Los nanotubos de carbono han encontrado tanto uso en los NEMS que ya se han descubierto métodos para conectar nanotubos de carbono suspendidos a otras nanoestructuras. [29] Esto permite que los nanotubos de carbono formen sistemas nanoeléctricos complicados. Debido a que los productos basados ​​en carbono se pueden controlar adecuadamente y actúan como interconexiones y transistores, sirven como material fundamental en los componentes eléctricos de los NEMS.

Conmutadores NEMS basados ​​en CNT

Una desventaja importante de los conmutadores MEMS con respecto a los conmutadores NEMS es la velocidad de conmutación limitada de los MEMS en el rango de microsegundos, lo que impide el rendimiento para aplicaciones de alta velocidad. Las limitaciones en la velocidad de conmutación y el voltaje de actuación se pueden superar reduciendo la escala de los dispositivos de micro a nanoescala. [30] Una comparación de los parámetros de rendimiento entre los conmutadores NEMS basados ​​en nanotubos de carbono (CNT) con su contraparte CMOS reveló que los conmutadores NEMS basados ​​en CNT conservaban el rendimiento a niveles más bajos de consumo de energía y tenían una corriente de fuga subumbral varios órdenes de magnitud menor que la de los conmutadores CMOS. [31] Los NEMS basados ​​en CNT con estructuras de doble sujeción se están estudiando más a fondo como posibles soluciones para aplicaciones de memoria no volátil de compuerta flotante. [32]

Dificultades

A pesar de todas las propiedades útiles de los nanotubos de carbono y el grafeno para la tecnología NEMS, ambos productos enfrentan varios obstáculos para su implementación. Uno de los principales problemas es la respuesta del carbono a los entornos de la vida real. Los nanotubos de carbono exhiben un gran cambio en las propiedades electrónicas cuando se exponen al oxígeno . [33] De manera similar, otros cambios en los atributos electrónicos y mecánicos de los materiales basados ​​en carbono deben explorarse completamente antes de su implementación, especialmente debido a su gran área de superficie que puede reaccionar fácilmente con los entornos circundantes. También se encontró que los nanotubos de carbono tienen conductividades variables, siendo metálicos o semiconductores dependiendo de su helicidad cuando se procesan. [34] Debido a esto, se debe dar un tratamiento especial a los nanotubos durante el procesamiento para asegurar que todos los nanotubos tengan conductividades apropiadas. El grafeno también tiene propiedades de conductividad eléctrica complicadas en comparación con los semiconductores tradicionales porque carece de una brecha de banda de energía y esencialmente cambia todas las reglas sobre cómo se mueven los electrones a través de un dispositivo basado en grafeno. [23] Esto significa que las construcciones tradicionales de dispositivos electrónicos probablemente no funcionarán y que se deberán diseñar arquitecturas completamente nuevas para estos nuevos dispositivos electrónicos.

Acelerómetro nanoelectromecánico

Las propiedades mecánicas y electrónicas del grafeno lo han hecho favorable para su integración en acelerómetros NEMS, como pequeños sensores y actuadores para sistemas de monitoreo cardíaco y captura de movimiento móvil. El espesor a escala atómica del grafeno proporciona una vía para que los acelerómetros se reduzcan de escala micro a nanoescala, manteniendo al mismo tiempo los niveles de sensibilidad requeridos para el sistema. [35]

Al suspender una masa de silicio a prueba de golpes sobre una cinta de grafeno de doble capa, se puede fabricar un transductor piezorresistivo y de masa elástica a escala nanométrica con la capacidad de los transductores que se producen actualmente en los acelerómetros. La masa elástica proporciona una mayor precisión y las propiedades piezorresistivas del grafeno convierten la tensión de la aceleración en señales eléctricas para el acelerómetro. La cinta de grafeno suspendida forma simultáneamente el transductor piezorresistivo y de resorte, lo que permite un uso eficiente del espacio y, al mismo tiempo, mejora el rendimiento de los acelerómetros NEMS. [36]

Polidimetilsiloxano (PDMS)

Los fallos derivados de la alta adherencia y fricción son motivo de preocupación para muchos sistemas NEMS. Los sistemas NEMS utilizan frecuentemente silicio debido a las técnicas de micromaquinado bien caracterizadas; sin embargo, su rigidez intrínseca a menudo obstaculiza la capacidad de los dispositivos con partes móviles.

Un estudio realizado por investigadores de la Universidad Estatal de Ohio comparó los parámetros de adhesión y fricción de un silicio monocristalino con una capa de óxido nativo frente a un revestimiento de PDMS. El PDMS es un elastómero de silicona que es altamente ajustable mecánicamente, químicamente inerte, térmicamente estable, permeable a los gases, transparente, no fluorescente, biocompatible y no tóxico. [37] Inherente a los polímeros, el módulo de Young del PDMS puede variar en dos órdenes de magnitud manipulando el grado de reticulación de las cadenas de polímero, lo que lo convierte en un material viable en NEMS y aplicaciones biológicas. El PDMS puede formar un sello hermético con el silicio y, por lo tanto, integrarse fácilmente en la tecnología NEMS, optimizando las propiedades mecánicas y eléctricas. Los polímeros como el PDMS están empezando a ganar atención en NEMS debido a su prototipado y fabricación comparativamente económicos, simplificados y eficientes en términos de tiempo. [37]

Se ha caracterizado que el tiempo de reposo se correlaciona directamente con la fuerza adhesiva, [38] y el aumento de la humedad relativa conduce a un aumento de las fuerzas adhesivas para polímeros hidrófilos. Las mediciones del ángulo de contacto y los cálculos de la fuerza de Laplace respaldan la caracterización de la naturaleza hidrófoba del PDMS, que se corresponde, como era de esperar, con su independencia de la humedad relativa verificada experimentalmente. Las fuerzas adhesivas del PDMS también son independientes del tiempo de reposo, capaces de funcionar de manera versátil en condiciones de humedad relativa variables y poseen un coeficiente de fricción menor que el del silicio. Los recubrimientos de PDMS facilitan la mitigación de problemas de alta velocidad, como la prevención del deslizamiento. Por lo tanto, la fricción en las superficies de contacto sigue siendo baja incluso a velocidades considerablemente altas. De hecho, en la microescala, la fricción se reduce al aumentar la velocidad. La hidrofobicidad y el bajo coeficiente de fricción del PDMS han dado lugar a su potencial para ser incorporado en experimentos NEMS que se llevan a cabo en humedades relativas variables y velocidades de deslizamiento relativas altas. [39]

Diafragma de sistemas nanoelectromecánicos piezorresistivos recubiertos de PDMS

El PDMS se utiliza con frecuencia en la tecnología NEMS. Por ejemplo, el recubrimiento de PDMS sobre un diafragma se puede utilizar para la detección de vapor de cloroformo. [40]

Investigadores de la Universidad Nacional de Singapur inventaron un diafragma de sistema nanoelectromecánico recubierto de polidimetilsiloxano (PDMS) con nanocables de silicio (SiNW) integrados para detectar vapor de cloroformo a temperatura ambiente. En presencia de vapor de cloroformo, la película de PDMS sobre el microdiafragma absorbe moléculas de vapor y, en consecuencia, se agranda, lo que provoca la deformación del microdiafragma. Los SiNW implantados dentro del microdiafragma están unidos en un puente de Wheatstone , que traduce la deformación en un voltaje de salida cuantitativo. Además, el sensor de microdiafragma también demuestra un procesamiento de bajo costo con bajo consumo de energía. Posee un gran potencial de escalabilidad, un tamaño ultracompacto y compatibilidad con procesos CMOS - IC . Al cambiar la capa de polímero de absorción de vapor, se pueden aplicar métodos similares que, en teoría, deberían poder detectar otros vapores orgánicos.

Además de sus propiedades inherentes, que se analizaron en la sección de Materiales, el PDMS se puede utilizar para absorber cloroformo, cuyos efectos se asocian comúnmente con la hinchazón y la deformación del microdiafragma; en este estudio también se midieron diversos vapores orgánicos. Con una buena estabilidad al envejecimiento y un embalaje adecuado, se puede reducir la velocidad de degradación del PDMS en respuesta al calor, la luz y la radiación. [41]

NEMS biohíbridos

Un ribosoma es una máquina biológica que utiliza la dinámica de las proteínas a escala nanométrica.

El campo emergente de los sistemas biohíbridos combina elementos estructurales biológicos y sintéticos para aplicaciones biomédicas o robóticas. Los elementos que constituyen los sistemas bionanoelectromecánicos (BioNEMS) son de tamaño nanométrico, por ejemplo, ADN, proteínas o piezas mecánicas nanoestructuradas. Algunos ejemplos incluyen la nanoestructuración descendente sencilla de polímeros de tiol-eno para crear nanoestructuras reticuladas y mecánicamente robustas que posteriormente se funcionalizan con proteínas. [42]

Simulaciones

Las simulaciones por computadora han sido durante mucho tiempo contrapartes importantes para los estudios experimentales de dispositivos NEMS. A través de la mecánica de medios continuos y la dinámica molecular (MD), se pueden predecir comportamientos importantes de los dispositivos NEMS mediante modelado computacional antes de realizar experimentos. [43] [44] [45] [46] Además, la combinación de técnicas de medios continuos y MD permite a los ingenieros analizar de manera eficiente la estabilidad de los dispositivos NEMS sin recurrir a mallas ultrafinas y simulaciones que requieren mucho tiempo. [43] Las simulaciones también tienen otras ventajas: no requieren el tiempo y la experiencia asociados con la fabricación de dispositivos NEMS; pueden predecir de manera efectiva los roles interrelacionados de varios efectos electromecánicos; y los estudios paramétricos se pueden realizar con bastante facilidad en comparación con los enfoques experimentales. Por ejemplo, los estudios computacionales han predicho las distribuciones de carga y las respuestas electromecánicas de "atracción" de los dispositivos NEMS. [47] [48] [49] El uso de simulaciones para predecir el comportamiento mecánico y eléctrico de estos dispositivos puede ayudar a optimizar los parámetros de diseño de dispositivos NEMS.

Fiabilidad y ciclo de vida de los NEMS

Fiabilidad y desafíos

La confiabilidad proporciona una medida cuantitativa de la integridad y el rendimiento del componente sin fallas durante una vida útil específica del producto. Las fallas de los dispositivos NEMS se pueden atribuir a una variedad de fuentes, como factores mecánicos, eléctricos, químicos y térmicos. La identificación de los mecanismos de falla, la mejora del rendimiento, la escasez de información y los problemas de reproducibilidad se han identificado como los principales desafíos para lograr niveles más altos de confiabilidad para los dispositivos NEMS. Dichos desafíos surgen durante las etapas de fabricación (es decir, procesamiento de obleas, empaquetado, ensamblaje final) y las etapas posteriores a la fabricación (es decir, transporte, logística, uso). [50]

Embalaje                                                  

Los desafíos del empaquetado a menudo representan entre el 75 y el 95 % de los costos generales de los MEMS y NEMS. El diseño del empaquetado tiene en cuenta factores como el troceado de obleas, el grosor del dispositivo, la secuencia de liberación final, la expansión térmica, el aislamiento de la tensión mecánica, la disipación de energía y calor, la minimización de la fluencia, el aislamiento de los medios y los recubrimientos protectores para alinearse con el diseño del componente MEMS o NEMS. [51] El análisis de delaminación, el análisis de movimiento y las pruebas de vida útil se han utilizado para evaluar las técnicas de encapsulación a nivel de oblea, como la encapsulación de tapa a oblea, de oblea a oblea y de película delgada. Las técnicas de encapsulación a nivel de oblea pueden conducir a una mayor confiabilidad y un mayor rendimiento tanto para microdispositivos como para nanodispositivos. [52]

Fabricación

La evaluación de la fiabilidad de los NEMS en las primeras etapas del proceso de fabricación es esencial para mejorar el rendimiento. Las formas de fuerzas superficiales, como la adhesión y las fuerzas electrostáticas, dependen en gran medida de la topografía de la superficie y la geometría de contacto. La fabricación selectiva de superficies nanotexturizadas reduce el área de contacto, lo que mejora tanto la adhesión como el rendimiento de fricción de los NEMS. [53] Además, la implementación de nanopost en superficies diseñadas aumenta la hidrofobicidad, lo que conduce a una reducción tanto de la adhesión como de la fricción. [54]

La adhesión y la fricción también se pueden manipular mediante nanoestampado para ajustar la rugosidad de la superficie para las aplicaciones apropiadas del dispositivo NEMS. Investigadores de la Universidad Estatal de Ohio utilizaron microscopía de fuerza atómica/de fricción (AFM/FFM) para examinar los efectos del nanoestampado en la hidrofobicidad, la adhesión y la fricción de polímeros hidrófilos con dos tipos de asperezas estampadas (relación de aspecto baja y relación de aspecto alta). Se descubrió que la rugosidad en superficies hidrófilas frente a superficies hidrófobas tienen relaciones inversamente correlacionadas y directamente correlacionadas respectivamente. [24]

Debido a su gran relación superficie-volumen y sensibilidad, la adhesión y la fricción pueden impedir el rendimiento y la fiabilidad de los dispositivos NEMS. Estos problemas tribológicos surgen de la reducción natural de escala de estas herramientas; sin embargo, el sistema se puede optimizar mediante la manipulación del material estructural, las películas de superficie y el lubricante. En comparación con las películas de silicio o polisilicio sin dopar, las películas de SiC poseen la menor salida de fricción, lo que resulta en una mayor resistencia al rayado y una funcionalidad mejorada a altas temperaturas. Los recubrimientos de carbono duro tipo diamante (DLC) presentan baja fricción, alta dureza y resistencia al desgaste, además de resistencias químicas y eléctricas. La rugosidad, un factor que reduce la humectación y aumenta la hidrofobicidad, se puede optimizar aumentando el ángulo de contacto para reducir la humectación y permitir una baja adhesión e interacción del dispositivo con su entorno. [55]

Las propiedades de los materiales dependen del tamaño. Por lo tanto, el análisis de las características únicas de los NEMS y los materiales a escala nanométrica se vuelve cada vez más importante para mantener la confiabilidad y la estabilidad a largo plazo de los dispositivos NEMS. [56] Algunas propiedades mecánicas, como la dureza, el módulo elástico y las pruebas de flexión, para los nanomateriales se determinan utilizando un nanoindentador en un material que ha sido sometido a procesos de fabricación. Sin embargo, estas mediciones no consideran cómo funcionará el dispositivo en la industria bajo tensiones y deformaciones prolongadas o cíclicas. La estructura theta es un modelo NEMS que exhibe propiedades mecánicas únicas. Compuesta de Si, la estructura tiene alta resistencia y es capaz de concentrar tensiones a escala nanométrica para medir ciertas propiedades mecánicas de los materiales. [57]

Tensiones residuales

Para aumentar la confiabilidad de la integridad estructural, la caracterización tanto de la estructura del material como de las tensiones intrínsecas en escalas de longitud apropiadas se vuelve cada vez más pertinente. [58] Los efectos de las tensiones residuales incluyen, entre otros, fracturas, deformaciones, delaminación y cambios estructurales de tamaño nanométrico, que pueden provocar fallas en el funcionamiento y deterioro físico del dispositivo. [59]

Las tensiones residuales pueden influir en las propiedades eléctricas y ópticas. Por ejemplo, en diversas aplicaciones fotovoltaicas y de diodos emisores de luz (LED), la energía de la banda prohibida de los semiconductores se puede ajustar en consecuencia mediante los efectos de la tensión residual. [60]

La microscopía de fuerza atómica (AFM) y la espectroscopia Raman se pueden utilizar para caracterizar la distribución de tensiones residuales en películas delgadas en términos de imágenes de volumen de fuerza, topografía y curvas de fuerza. [61] Además, la tensión residual se puede utilizar para medir la temperatura de fusión de las nanoestructuras mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC) y difracción de rayos X dependiente de la temperatura (XRD). [60]

Futuro

Los principales obstáculos que impiden actualmente la aplicación comercial de muchos dispositivos NEMS incluyen bajos rendimientos y alta variabilidad de la calidad del dispositivo. Antes de que los dispositivos NEMS puedan implementarse realmente, deben crearse integraciones razonables de productos basados ​​en carbono. Un paso reciente en esa dirección se ha demostrado para el diamante, logrando un nivel de procesamiento comparable al del silicio. [18] El enfoque actualmente se está desplazando del trabajo experimental hacia aplicaciones prácticas y estructuras de dispositivos que implementarán y se beneficiarán de estos nuevos dispositivos. [20] El próximo desafío a superar implica comprender todas las propiedades de estas herramientas basadas en carbono y usar las propiedades para hacer NEMS eficientes y duraderos con bajas tasas de falla. [49]

Los materiales a base de carbono han servido como materia prima para el uso de NEMS, debido a sus excepcionales propiedades mecánicas y eléctricas. [ cita requerida ]

Recientemente, los nanocables de vidrios de calcogenuro han demostrado ser una plataforma clave para diseñar NEMS sintonizables debido a la disponibilidad de modulación activa del módulo de Young. [62]

Se proyecta que el mercado global de NEMS alcance los 108,88 millones de dólares en 2022. [63]

Aplicaciones

Cantilevers basados ​​en nanoelectromecánicos

Los investigadores del Instituto de Tecnología de California desarrollaron un voladizo basado en NEM con resonancias mecánicas hasta frecuencias muy altas (VHF). La incorporación de transductores de desplazamiento electrónicos basados ​​en una película metálica delgada piezorresistiva facilita la lectura inequívoca y eficiente del nanodispositivo. La funcionalización de la superficie del dispositivo mediante un recubrimiento de polímero delgado con un alto coeficiente de partición para las especies objetivo permite que los voladizos basados ​​en NEMS proporcionen mediciones de quimisorción a temperatura ambiente con una resolución de masa de menos de un attogramo . Se han explotado otras capacidades de los voladizos basados ​​en NEMS para las aplicaciones de sensores, sondas de escaneo y dispositivos que operan a frecuencias muy altas (100 MHz). [64]

Referencias

  1. ^ "SiTime SiT8008 - Oscilador MEMS: Fotograma del fin de semana: ZeptoBars".
  2. ^ ab Hughes, James E. Jr.; Ventra, Massimiliano Di ; Evoy, Stephane (2004). Introducción a la ciencia y tecnología a nanoescala (Nanostructure Science and Technology). Berlín: Springer. ISBN 978-1-4020-7720-3.
  3. ^ Frosch, CJ; Derick, L (1957). "Protección de superficies y enmascaramiento selectivo durante la difusión en silicio". Revista de la Sociedad Electroquímica . 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.
  4. ^ Sze, Simon M. (2002). Dispositivos semiconductores: física y tecnología (PDF) (2.ª ed.). Wiley . p. 4. ISBN 0-471-33372-7.
  5. ^ Pasa, André Avelino (2010). "Capítulo 13: Transistor de base de nanocapas metálicas". Manual de nanofísica: nanoelectrónica y nanofotónica . CRC Press . págs. 13–1, 13–4. ISBN 9781420075519.
  6. ^ Davari, Bijan; Ting, Chung-Yu; Ahn, Kie Y.; Basavaiah, S.; Hu, Chao-Kun; Tauro, Yuan; Wordeman, Mateo R.; Aboelfotoh, O.; Krusin-Elbaum, L.; Joshi, Rajiv V.; Polcari, Michael R. (1987). "MOSFET de puerta de tungsteno submicrónico con óxido de puerta de 10 nm". 1987 Simposio sobre Tecnología VLSI. Compendio de artículos técnicos . págs. 61–62.
  7. ^ ab Tsu-Jae King, Liu (11 de junio de 2012). "FinFET: Historia, fundamentos y futuro". Universidad de California, Berkeley . Curso breve sobre tecnología VLSI . Consultado el 9 de julio de 2019 .
  8. ^ Colinge, JP (2008). FinFET y otros transistores multipuerta. Springer Science & Business Media. pág. 11. ISBN 9780387717517.
  9. ^ Hisamoto, D.; Kaga, T.; Kawamoto, Y.; Takeda, E. (diciembre de 1989). "Un transistor de canal pobre completamente agotado (DELTA): un nuevo MOSFET SOI ultradelgado vertical". International Technical Digest on Electron Devices Meeting . págs. 833–836. doi :10.1109/IEDM.1989.74182. S2CID  114072236.
  10. ^ "Ganadores del premio IEEE Andrew S. Grove". Premio IEEE Andrew S. Grove . Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos . Archivado desde el original el 9 de septiembre de 2018. Consultado el 4 de julio de 2019 .
  11. ^ "La ventaja revolucionaria de los FPGA con tecnología Tri-Gate" (PDF) . Intel . 2014 . Consultado el 4 de julio de 2019 .
  12. ^ Despont, M; Brugger, J.; Drechsler, U.; Dürig, U.; Häberle, W.; Lutwyche, M.; Rothuizen, H.; Stutz, R.; Widmer, R. (2000). "Chip VLSI-NEMS para almacenamiento de datos AFM paralelo". Sensores y actuadores A: Física . 80 (2): 100–107. doi :10.1016/S0924-4247(99)00254-X.
  13. ^ de Haan, S. (2006). "NEMS—productos emergentes y aplicaciones de sistemas nanoelectromecánicos". Nanotechnology Perceptions . 2 (3): 267–275. doi : 10.4024/N14HA06.ntp.02.03 . ISSN  1660-6795.
  14. ^ Página de inicio de ITRS Archivado el 28 de diciembre de 2015 en Wayback Machine . Itrs.net. Recuperado el 24 de noviembre de 2012.
  15. ^ Massimiliano Ventra; Stephane Evoy; James R. Heflin (30 de junio de 2004). Introducción a la ciencia y la tecnología a nanoescala. Springer. ISBN 978-1-4020-7720-3. Recuperado el 24 de noviembre de 2012 .
  16. ^ ab "Diferencia entre el enfoque de arriba hacia abajo y el de abajo hacia arriba en nanotecnología". Julio de 2011.
  17. ^ ab Tao, Y.; Boss, JM; Moores, BA; Degen, CL (2014). "Resonadores nanomecánicos de diamante monocristalino con factores de calidad superiores a un millón". Nature Communications . 5 : 3638. arXiv : 1212.1347 . Bibcode :2014NatCo...5.3638T. doi :10.1038/ncomms4638. PMID  24710311. S2CID  20377068.
  18. ^ ab Tao, Ye; Degen, Christian (2013). "Fabricación sencilla de nanoestructuras de diamante monocristalino con una relación de aspecto ultraalta". Materiales avanzados . 25 (29): 3962–7. Código Bibliográfico :2013AdM....25.3962T. doi :10.1002/adma.201301343. PMID  23798476. S2CID  5089294.
  19. ^ Bunch, JS; Van Der Zande, AM; Verbridge, SS; Frank, IW; Tanenbaum, DM; Parpia, JM; Craighead, HG; McEuen, PL (2007). "Resonadores electromecánicos a partir de láminas de grafeno". Science . 315 (5811): 490–493. Bibcode :2007Sci...315..490B. doi :10.1126/science.1136836. PMID  17255506. S2CID  17754057.
  20. ^ abc 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. S2CID  10224625. Archivado desde el original (PDF) el 27 de septiembre de 2011.
  21. ^ ab Hermann, S; Ecke, R; Schulz, S; Gessner, T (2008). "Control de la formación de nanopartículas para el crecimiento definido de nanotubos de carbono para aplicaciones de interconexión". Ingeniería microelectrónica . 85 (10): 1979–1983. doi :10.1016/j.mee.2008.06.019.
  22. ^ Dekker, Cees; Tans, Sander J.; Verschueren, Alwin RM (1998). "Transistor de temperatura ambiente basado en un único nanotubo de carbono". Naturaleza . 393 (6680): 49–52. Código Bib :1998Natur.393...49T. doi :10.1038/29954. S2CID  4403144.
  23. ^ ab Westervelt, RM (2008). "FÍSICA APLICADA: nanoelectrónica de grafeno". Science . 320 (5874): 324–325. doi :10.1126/science.1156936. PMID  18420920. S2CID  9585810.
  24. ^ ab Barton, RA; Parpia, J.; Craighead, HG (2011). "Fabricación y rendimiento de sistemas nanoelectromecánicos de grafeno" (PDF) . Journal of Vacuum Science & Technology B . 29 (5): 050801. Bibcode :2011JVSTB..29e0801B. doi :10.1116/1.3623419. S2CID  20385091.
  25. ^ Barton, RA; Ilic, B.; Van Der Zande, AM; Whitney, WS; McEuen, PL; Parpia, JM; Craighead, HG (2011). "Factor de calidad alto y dependiente del tamaño en una matriz de resonadores mecánicos de grafeno" (PDF) . Nano Letters . 11 (3): 1232–6. Bibcode :2011NanoL..11.1232B. doi :10.1021/nl1042227. PMID  21294522. S2CID  996449.
  26. ^ Ekinci, KL; Huang, XMH; Roukes, ML (2004). "Detección de masas nanoelectromecánica ultrasensible". Applied Physics Letters . 84 (22): 4469–71. arXiv : cond-mat/0402528 . Código Bibliográfico :2004ApPhL..84.4469E. doi :10.1063/1.1755417.
  27. ^ Mamin, HJ; Rugar, D. (2001). "Detección de fuerza sub-attonewton a temperaturas de milikelvin". Applied Physics Letters . 79 (20): 3358–60. Código Bibliográfico :2001ApPhL..79.3358M. doi :10.1063/1.1418256.
  28. ^ LaHaye, MD; Buu, O.; Camarota, B.; Schwab, KC (2004). "Aproximación al límite cuántico de un resonador nanomecánico" (PDF) . Science . 304 (5667): 74–77. Bibcode :2004Sci...304...74L. doi :10.1126/science.1094419. PMID  15064412. S2CID  262262236.
  29. ^ Bauerdick, S.; Linden, A.; Stampfer, C.; Helbling, T.; Hierold, C. (2006). "Cableado directo de nanotubos de carbono para su integración en sistemas nanoelectromecánicos". Journal of Vacuum Science and Technology B . 24 (6): 3144. Bibcode :2006JVSTB..24.3144B. doi :10.1116/1.2388965. Archivado desde el original el 23 de marzo de 2012.
  30. ^ Huang, XMH; Zorman, CA; Mehregany, M.; Roukes, ML (2003). "Movimiento de nanodispositivos a frecuencias de microondas". Nature . 421 (6922): 496. doi :10.1038/421496a. PMID  12556880.
  31. ^ Yousif, MYA; Lundgren, P.; Ghavanini, F.; Enoksson, P.; Bengtsson, S. (2008). "Consideraciones sobre CMOS en interruptores nanoelectromecánicos basados ​​en nanotubos de carbono". Nanotecnología . 19 (28): 285204. Bibcode :2008Nanot..19B5204Y. doi :10.1088/0957-4484/19/28/285204. PMID  21828728. S2CID  2228946.
  32. ^ Rueckes, T.; Kim, K.; Joselevich, E.; Tseng, GY; Cheung, CL; Lieber, CM (2000). "Memoria de acceso aleatorio no volátil basada en nanotubos de carbono para computación molecular". Science . 289 (5476): 94–97. Bibcode :2000Sci...289...94R. doi :10.1126/science.289.5476.94. PMID  10884232.
  33. ^ Collins, PG; Bradley, K; Ishigami, M; Zettl, A (2000). "Sensibilidad extrema al oxígeno de las propiedades electrónicas de los nanotubos de carbono". Science . 287 (5459): 1801–4. Bibcode :2000Sci...287.1801C. doi :10.1126/science.287.5459.1801. PMID  10710305.
  34. ^ Ebbesen, TW; Lezec, HJ; Hiura, H.; Bennett, JW; Ghaemi, HF; Thio, T. (1996). "Conductividad eléctrica de nanotubos de carbono individuales". Nature . 382 (6586): 54–56. Bibcode :1996Natur.382...54E. doi :10.1038/382054a0. S2CID  4332194.
  35. ^ Grolms, M. (septiembre de 2019). "Un acelerómetro de grafeno a escala nanométrica". Advanced Science News.
  36. ^ Fan, X.; Fischer, AC; Forsberg, F.; Lemme, MC; Niklaus, F.; Östling, M.; Rödjegård, H.; Schröder, S.; Smith, AD; Wagner, S. (septiembre de 2019). "Cintas de grafeno con masas suspendidas como transductores en acelerómetros nanoelectromecánicos ultrapequeños". Nature Electronics . 2 (9): 394–404. arXiv : 2003.07115 . doi :10.1038/s41928-019-0287-1.
  37. ^ ab McDonald, JC; Whitesides, GM (2002). "Poli(dimetilsiloxano) como material para fabricar dispositivos microfluídicos". Accounts of Chemical Research . 35 (7): 491–9. doi :10.1021/ar010110q. PMID  12118988. S2CID  41310254.
  38. ^ Bhushan, B. (2013). Principios y aplicaciones de la tribología (2.ª ed.). Wiley. ISBN 978-1-118-40301-3.
  39. ^ Tambe, NS; Bhushan, B. (2005). "Caracterización micro/nanoribológica de PDMS y PMMA utilizados para aplicaciones BioMEMS/NEMS". Ultramicroscopía . 105 (1–4): 238–247. doi :10.1016/j.ultramic.2005.06.050.
  40. ^ Guo, H.; Lou, L.; Chen, X.; Lee, C. (2012). "Diafragma NEMS piezorresistivo recubierto de PDMS para la detección de vapor de cloroformo". IEEE Electron Device Letters . 33 (7): 1078–80. Bibcode :2012IEDL...33.1078G. doi :10.1109/LED.2012.2195152. S2CID  40641941.
  41. ^ Chaudhry, AN; Billingham, NC (2001). "Caracterización y degradación oxidativa de un caucho de poli (dimetilsiloxano) vulcanizado a temperatura ambiente". Degradación y estabilidad de polímeros . 73 (3): 505–510. doi :10.1016/S0141-3910(01)00139-2.
  42. ^ Shafagh, Reza; Vastesson, Alejandro; Guo, Weijin; van der Wijngaart, Wouter; Haraldsson, Tommy (2018). "Nanoestructuración de haz electrónico y biofuncionalización de clic directo de resistencia tiol-eno". ACS Nano . 12 (10): 9940–9946. doi : 10.1021/acsnano.8b03709. PMID  30212184. S2CID  52271550.
  43. ^ ab Dequesnes, Marc; Tang, Zhi; Aluru, NR (2004). "Análisis estático y dinámico de interruptores basados ​​en nanotubos de carbono" (PDF) . Journal of Engineering Materials and Technology . 126 (3): 230. doi :10.1115/1.1751180. Archivado desde el original (PDF) el 18 de diciembre de 2012.
  44. ^ Ke, Changhong; Espinosa, Horacio D. (2005). "Análisis numérico de dispositivos NEMS basados ​​en nanotubos: Parte I: Distribución de carga electrostática en nanotubos de paredes múltiples" (PDF) . Journal of Applied Mechanics . 72 (5): 721. Bibcode :2005JAM....72..721K. doi :10.1115/1.1985434. Archivado desde el original (PDF) el 2011-07-13.
  45. ^ Ke, Changhong; Espinosa, Horacio D.; Pugno, Nicola (2005). "Análisis numérico de dispositivos NEMS basados ​​en nanotubos — Parte II: papel de la cinemática finita, el estiramiento y las concentraciones de carga" (PDF) . Journal of Applied Mechanics . 72 (5): 726. Bibcode :2005JAM....72..726K. doi :10.1115/1.1985435.[ enlace muerto permanente ]
  46. ^ Garcia, JC; Justo, JF (2014). "Nanohilos de silicio ultrafinos retorcidos: un posible nanodispositivo electromecánico de torsión". Europhys. Lett . 108 (3): 36006. arXiv : 1411.0375 . Bibcode :2014EL....10836006G. doi :10.1209/0295-5075/108/36006. S2CID  118792981.
  47. ^ Keblinski, P.; Nayak, S.; Zapol, P.; Ajayan, P. (2002). "Distribución de carga y estabilidad de nanotubos de carbono cargados". Physical Review Letters . 89 (25): 255503. Bibcode :2002PhRvL..89y5503K. doi :10.1103/PhysRevLett.89.255503. PMID  12484896.
  48. ^ Ke, C; Espinosa, HD (2006). "Caracterización electromecánica mediante microscopía electrónica in situ de un dispositivo NEMS biestable". Small . 2 (12): 1484–9. doi :10.1002/smll.200600271. PMID  17193010.
  49. ^ ab Loh, O; Wei, X; Ke, C; Sullivan, J; Espinosa, HD (2011). "Dispositivos nanoelectromecánicos robustos basados ​​en nanotubos de carbono: comprensión y eliminación de los modos de falla prevalentes utilizando materiales de electrodos alternativos". Small . 7 (1): 79–86. doi :10.1002/smll.201001166. PMID  21104780.
  50. ^ Arab, A.; Feng, Q. (2014). "Investigación de confiabilidad en sistemas micro y nanoelectromecánicos: una revisión". Revista internacional de tecnología de fabricación avanzada . 74 (9–12): 1679–90. doi :10.1007/s00170-014-6095-x. S2CID  253682814.
  51. ^ Crone, WC (2008). "Una breve introducción a MEMS y NEMS". En Sharpe, WN (ed.). Springer Handbook of Experimental Solid Mechanics . Springer. págs. 203–228. ISBN 978-0-387-26883-5.
  52. ^ Pieters, P. (2005). "Empaquetado a nivel de oblea de micro/nanosistemas". 5.ª Conferencia IEEE sobre nanotecnología . IEEE. págs. 130–3. doi :10.1109/NANO.2005.1500710. ISBN . 0-7803-9199-3.
  53. ^ Zou, M.; Cai, L.; Wang, H.; Yang, D.; Wyrobek, T. (2005). "Estudios de adhesión y fricción de una superficie selectivamente micro/nano-texturizada producida por cristalización asistida por UV de silicio amorfo". Tribology Letters . 20 (1): 43–52. doi :10.1007/s11249-005-7791-3. S2CID  135754653.
  54. ^ Fowler, J.; Moon, H.; Kim, CJ (2002). "Mejora de la mezcla mediante microfluídica basada en gotas". Technical Digest. MEMS 2002 IEEE International Conference. Decimoquinta Conferencia Internacional IEEE sobre Sistemas Micro Electromecánicos . IEEE. págs. 97–100. doi :10.1109/MEMSYS.2002.984099. ISBN. 0-7803-7185-2.
  55. ^ Bhushan, B. (marzo de 2007). "Nanotribología y nanomecánica de materiales y dispositivos MEMS/NEMS y BioMEMS/BioNEMS". Ingeniería microelectrónica . 84 (3): 387–412. doi :10.1016/j.mee.2006.10.059.
  56. ^ Baek, CW; Bhushan, B.; Kim, YK; Li, X.; Takashima, K. (octubre-noviembre de 2003). "Caracterización mecánica de estructuras a escala micro/nano para aplicaciones MEMS/NEMS utilizando técnicas de nanoindentación". Ultramicroscopía . 97 (1–4): 481–494. doi :10.1016/S0304-3991(03)00077-9. PMID  12801705.
  57. ^ Osborn, WA, Mclean, M., Smith, DT, Gerbig, Y. (noviembre de 2017). Medidas y estándares de resistencia a escala nanométrica. NIST. Recuperado de https://www.nist.gov
  58. ^ Salvati, E. (2017). Evaluación y modelado de tensiones residuales a escala micrométrica (PhD). Universidad de Oxford.
  59. ^ Van Spengen, WM (2003). "Fiabilidad de MEMS desde una perspectiva de mecanismos de falla". Microelectronics Reliability . 43 (7): 1049–60. doi :10.1016/S0026-2714(03)00119-7.
  60. ^ ab Huang, XJ (2008). Investigación en nanotecnología: nuevas nanoestructuras, nanotubos y nanofibras. Nova Science. ISBN 978-1-60021-902-3.
  61. ^ Gupta, S.; Williams, OA; Patel, RJ; Haenen, K. (2006). "Mapas de distribución de tensión residual, fuerza intermolecular y propiedades de fricción de películas de diamante para aplicaciones micro y nanoelectromecánicas (M/NEMS)" (PDF) . Journal of Materials Research . 21 (12): 3037–46. Bibcode :2006JMatR..21.3037G. doi :10.1557/jmr.2006.0372. S2CID  136894526.
  62. ^ Ali, Utku Emre; Modi, Gaurav; Agarwal, Ritesh; Bhaskaran, Harish (18 de marzo de 2022). "Modulación de propiedades nanomecánicas en tiempo real como marco para NEMS ajustables". Nature Communications . 13 (1): 1464. Bibcode :2022NatCo..13.1464A. doi :10.1038/s41467-022-29117-7. ISSN  2041-1723. PMC 8933423 . PMID  35304454. 
  63. ^ "Proyección del mercado global de NEMS". 24 de octubre de 2012.
  64. ^ Li, M.; Tang, HX; Roukes, ML (2007). "Cantilevers ultrasensibles basados ​​en NEMS para detección, sonda escaneada y aplicaciones de muy alta frecuencia". Nature Nanotechnology . 2 (2): 114–120. Bibcode :2007NatNa...2..114L. doi :10.1038/nnano.2006.208. PMID  18654230.