Los sistemas nanoelectromecánicos ( NEMS ) son una clase de dispositivos que integran funcionalidad eléctrica y mecánica a nanoescala . Los NEMS constituyen el siguiente paso lógico de miniaturización de los llamados sistemas microelectromecánicos o dispositivos MEMS. Los NEMS suelen integrar nanoelectrónica similar a transistores con actuadores , bombas o motores mecánicos y, por lo tanto, pueden formar sensores físicos, biológicos y químicos . El nombre deriva de las dimensiones típicas del dispositivo en el rango nanométrico , lo que conduce a una masa baja, 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.
Como señaló Richard Feynman en su famosa charla de 1959, " Hay mucho espacio en la parte inferior ", 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 mayores eficiencias y tamaño reducido, menor consumo de energía y menores costos de producción en sistemas electromecánicos. [2]
En 1960, Mohamed M. Atalla y Dawon Kahng de Bell Labs fabricaron el primer MOSFET con un espesor de óxido de puerta de 100 nm . [3] En 1962, Atalla y Kahng fabricaron un transistor de unión semiconductora de metal con base de nanocapa (unión M-S) que utilizaba películas delgadas de oro (Au) con un espesor de 10 nm . [4] En 1987, Bijan Davari dirigió un equipo de investigación de IBM que demostró el primer MOSFET con un espesor de óxido de 10 nm. [5] Los MOSFET de puertas múltiples permitieron escalar por debajo de una longitud de canal de 20 nm , comenzando con el FinFET . [6] El FinFET se origina a partir de la investigación de Digh Hisamoto en el Laboratorio Central de Investigación de Hitachi en 1989. [7] [8] [9] [10] En UC Berkeley , un grupo liderado por Hisamoto y Chenming Hu de TSMC fabricaron dispositivos FinFET. hasta 17 nm de longitud de canal en 1998. [6]
En 2000, investigadores de IBM demostraron el primer dispositivo NEMS de integración a muy gran escala (VLSI). Su premisa era una serie de puntas AFM que pueden calentar/detectar un sustrato deformable para funcionar como un dispositivo de memoria ( memoria Millipede ). [11] Stefan de Haan ha descrito otros dispositivos. [12] En 2007, la Hoja de Ruta Técnica Internacional para Semiconductores (ITRS) [13] contiene la memoria NEMS como una nueva entrada para la sección de Dispositivos de investigación emergentes.
Una aplicación clave de NEMS son las puntas de microscopios de fuerza atómica . La mayor sensibilidad lograda por NEMS conduce a sensores más pequeños y más eficientes para detectar tensiones, vibraciones, fuerzas a nivel atómico y señales químicas. [14] Las puntas AFM y otras detecciones a nanoescala dependen en gran medida de NEMS.
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 , tratamientos ópticos , litografía por haz de electrones y 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, se fabrican dispositivos como nanocables , nanobarras y nanoestructuras estampadas a partir de películas metálicas delgadas o capas semiconductoras grabadas . Para enfoques de arriba hacia abajo, aumentar la relación superficie-volumen mejora la reactividad de los nanomateriales. [15]
Los enfoques ascendentes , por el contrario, utilizan las propiedades químicas de moléculas individuales para hacer que los componentes de una sola molécula se autoorganicen o se autoensamblen en alguna conformación útil, o dependan del 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, si bien se eliminan materiales residuales de la estructura original para el enfoque de arriba hacia abajo, se elimina o desperdicia una cantidad mínima de material para el enfoque de abajo hacia arriba. [15]
También se puede utilizar una combinación de estos enfoques, en la que las moléculas a nanoescala se integran en un marco de arriba hacia abajo. Un ejemplo de ello es el nanomotor de nanotubos de carbono . [ cita necesaria ]
Muchos de los materiales comúnmente utilizados para la tecnología NEMS se han basado en carbono , específicamente diamante , [16] [17] 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 módulo de Young grande ) son fundamentales para la estabilidad de los 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 exhiben un módulo de Young alto, baja densidad, baja fricción, disipación mecánica extremadamente baja [16] y una gran superficie. [18] [19] La baja fricción de los CNT permite rodamientos 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. [19] La resistencia física de los nanotubos de carbono y el grafeno permite que los materiales a base de carbono satisfagan demandas de tensión más altas, cuando los materiales comunes normalmente fallarían y, por lo tanto, respaldan aún más su uso como materiales importantes en el desarrollo tecnológico de NEMS. [20]
Junto con los beneficios mecánicos de los materiales a base de carbono, las propiedades eléctricas de los nanotubos de carbono y el grafeno permiten su uso en muchos componentes eléctricos de NEMS. Se han desarrollado nanotransistores tanto para nanotubos de carbono [21] como para grafeno. [22] Los transistores son uno de los componentes básicos de todos los dispositivos electrónicos, por lo que, al desarrollar eficazmente transistores utilizables, los nanotubos de carbono y el grafeno son cruciales para NEMS.
Los resonadores nanomecánicos suelen estar hechos de grafeno. A medida que se reduce el tamaño de los resonadores NEMS, 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. [23] Sin embargo, a pesar de este desafío, se ha demostrado experimentalmente que alcanza un factor de calidad tan alto como 2400. [24] El factor de calidad describe la pureza del tono de las vibraciones del resonador. Además, se ha predicho teóricamente que sujetar membranas de grafeno en todos los lados produce mayores cifras de calidad. Los NEMS de grafeno también pueden funcionar como sensores de masa, [25] fuerza, [26] y posición [27] .
Los nanotubos de carbono (CNT) son alótropos del carbono con una nanoestructura cilíndrica. Se pueden considerar un grafeno enrollado . Cuando se enrolla en ángulos específicos y discretos (" quirales "), la combinación del ángulo de rodadura y el radio decide si el nanotubo tiene una banda prohibida (semiconductor) o ninguna banda prohibida (metálico).
También se han propuesto nanotubos de carbono metálicos para interconexiones nanoelectrónicas , ya que pueden transportar altas densidades de corriente. [20] 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 específicamente en NEMS que ya se han descubierto métodos para conectar nanotubos de carbono suspendidos a otras nanoestructuras. [28] Esto permite que los nanotubos de carbono formen sistemas nanoeléctricos complicados. Debido a que los productos a base de carbono pueden controlarse adecuadamente y actuar como interconexiones y transistores, sirven como material fundamental en los componentes eléctricos de NEMS.
Una desventaja importante de los conmutadores MEMS sobre los conmutadores NEMS son las velocidades de conmutación limitadas 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 los dispositivos de una escala micro a nanométrica. [29] Una comparación de los parámetros de rendimiento entre los interruptores NEMS basados en nanotubos de carbono (CNT) con su contraparte CMOS reveló que los interruptores NEMS basados en CNT conservaban el rendimiento a niveles más bajos de consumo de energía y tenían una corriente de fuga por debajo del umbral varios órdenes de magnitud más pequeña que esa. de conmutadores CMOS. [30] 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 puerta flotante. [31]
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 . [32] De manera similar, otros cambios en los atributos electrónicos y mecánicos de los materiales a base de carbono deben explorarse a fondo antes de su implementación, especialmente debido a su alta superficie que puede reaccionar fácilmente con los entornos circundantes. También se descubrió que los nanotubos de carbono tenían diferentes conductividades, siendo metálicos o semiconductores dependiendo de su helicidad cuando se procesan. [33] 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 banda prohibida de energía y esencialmente cambia todas las reglas sobre cómo se mueven los electrones a través de un dispositivo basado en grafeno. [22] Esto significa que las construcciones tradicionales de dispositivos electrónicos probablemente no funcionarán y se deben diseñar arquitecturas completamente nuevas para estos nuevos dispositivos electrónicos.
Las propiedades mecánicas y electrónicas del grafeno lo han hecho favorable para la integración en acelerómetros NEMS, como pequeños sensores y actuadores para sistemas de monitorización cardíaca y captura de movimiento móvil. El espesor de escala atómica del grafeno proporciona una vía para que los acelerómetros se reduzcan de micro a nanoescala manteniendo los niveles de sensibilidad requeridos por el sistema. [34]
Al suspender una masa a prueba de silicio en una cinta de grafeno de doble capa, se puede fabricar una masa de resorte a nanoescala y un transductor piezorresistivo con la capacidad de los transductores producidos actualmente en acelerómetros. La masa del resorte proporciona una mayor precisión y las propiedades piezoresistivas del grafeno convierten la tensión de la aceleración en señales eléctricas para el acelerómetro. La cinta de grafeno suspendida forma simultáneamente el resorte y el transductor piezoresistivo, lo que hace un uso eficiente del espacio y mejora el rendimiento de los acelerómetros NEMS. [35]
Los fallos derivados de una alta adherencia y fricción son motivo de preocupación para muchos NEMS. Los NEMS utilizan con frecuencia silicio debido a técnicas de micromecanizado bien caracterizadas; sin embargo, su rigidez intrínseca a menudo dificulta la capacidad de los dispositivos con partes móviles.
Un estudio realizado por investigadores del estado de Ohio comparó los parámetros de adhesión y fricción de un silicio monocristalino con una capa de óxido nativo con un recubrimiento de PDMS. PDMS es un elastómero de silicona altamente sintonizable mecánicamente, químicamente inerte, térmicamente estable, permeable a los gases, transparente, no fluorescente, biocompatible y no tóxico. [36] Inherente a los polímeros, el módulo de Young de PDMS puede variar en dos órdenes de magnitud manipulando el grado de reticulación de las cadenas de polímeros, 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 PDMS están comenzando a ganar atención en NEMS debido a su creación y fabricación de prototipos comparativamente económicas, simplificadas y eficientes en el tiempo. [36]
Se ha caracterizado que el tiempo de descanso se correlaciona directamente con la fuerza adhesiva, [37] y el aumento de la humedad relativa conduce a un aumento de las fuerzas adhesivas para los polímeros hidrófilos. Las mediciones de ángulos de contacto y los cálculos de fuerza de Laplace respaldan la caracterización de la naturaleza hidrofóbica del PDMS, que se espera que corresponda con su independencia verificada experimentalmente de la humedad relativa. Las fuerzas adhesivas del PDMS también son independientes del tiempo de reposo, son capaces de funcionar de manera versátil en condiciones variables de humedad relativa y poseen un coeficiente de fricción más bajo que el del silicio. Los recubrimientos de PDMS facilitan la mitigación de problemas de alta velocidad, como la prevención del deslizamiento. De este modo, la fricción en las superficies de contacto sigue siendo baja incluso a velocidades considerablemente altas. De hecho, a 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 incorporarse aún más en los experimentos NEMS que se llevan a cabo con diferentes humedades relativas y altas velocidades de deslizamiento relativas. [38]
PDMS se utiliza con frecuencia dentro de la tecnología NEMS. Por ejemplo, se puede utilizar un recubrimiento de PDMS sobre un diafragma para la detección de vapor de cloroformo. [39]
Investigadores de la Universidad Nacional de Singapur inventaron un diafragma de sistema nanoelectromecánico recubierto de polidimetilsiloxano (PDMS) incrustado con nanocables de silicio (SiNW) para detectar vapor de cloroformo a temperatura ambiente. En presencia de vapor de cloroformo, la película de PDMS sobre el microdiafragma absorbe las 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 un bajo consumo de energía. Posee un gran potencial de escalabilidad, 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 analizadas en la sección Materiales, el PDMS se puede utilizar para absorber cloroformo, cuyos efectos se asocian comúnmente con la hinchazón y deformación del microdiafragma; En este estudio también se midieron varios vapores orgánicos. Con una buena estabilidad al envejecimiento y un embalaje adecuado, se puede reducir la tasa de degradación del PDMS en respuesta al calor, la luz y la radiación. [40]
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 nanoescalar, por ejemplo ADN, proteínas o piezas mecánicas nanoestructuradas. Los ejemplos incluyen la sencilla nanoestructuración de arriba hacia abajo de polímeros de tiol-eno para crear nanoestructuras reticuladas y mecánicamente robustas que posteriormente se funcionalizan con proteínas. [41]
Las simulaciones por computadora han sido durante mucho tiempo contrapartes importantes de los estudios experimentales de dispositivos NEMS. A través de la mecánica continua y la dinámica molecular (MD), se pueden predecir comportamientos importantes de los dispositivos NEMS mediante modelos computacionales antes de realizar experimentos. [42] [43] [44] [45] Además, la combinación de técnicas continuas 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. [42] Las simulaciones también tienen otras ventajas: no requieren el tiempo ni la experiencia asociados con la fabricación de dispositivos NEMS; pueden predecir eficazmente las funciones interrelacionadas de diversos 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. [46] [47] [48] El uso de simulaciones para predecir el comportamiento mecánico y eléctrico de estos dispositivos puede ayudar a optimizar los parámetros de diseño del dispositivo NEMS.
La confiabilidad proporciona una medida cuantitativa de la integridad y el desempeño 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 mecanismos de falla, la mejora del rendimiento, la escasez de información y los problemas de reproducibilidad se han identificado como desafíos importantes para lograr niveles más altos de confiabilidad para los dispositivos NEMS. Estos desafíos surgen tanto durante las etapas de fabricación (es decir, procesamiento de obleas, embalaje, ensamblaje final) como en las etapas posteriores a la fabricación (es decir, transporte, logística, uso). [49]
Los desafíos del embalaje suelen representar entre el 75% y el 95% de los costos totales de MEMS y NEMS. El diseño del empaque considera los factores de corte en cubitos de la oblea, el espesor 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 del medio y los recubrimientos protectores para alinearse con el diseño del componente MEMS o NEMS. . [50] Se han utilizado análisis de delaminación, análisis de movimiento y pruebas de vida útil para evaluar 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 micro como para nanodispositivos. [51]
Evaluar la confiabilidad de NEMS en las primeras etapas del proceso de fabricación es esencial para mejorar el rendimiento. Las formas de fuerzas superficiales, como las fuerzas de adhesión y 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, mejorando tanto la adherencia como el rendimiento de fricción para NEMS. [52] Además, la implementación de nanopostes en superficies diseñadas aumenta la hidrofobicidad, lo que lleva a una reducción tanto de la adhesión como de la fricción. [53]
La adherencia y la fricción también se pueden manipular mediante nanopatrones 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 nanopatrón sobre 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 encuentra que la rugosidad en superficies hidrofílicas versus superficies hidrofóbicas tienen relaciones inversamente correlacionadas y directamente correlacionadas, respectivamente. [23]
Debido a su gran relación superficie-volumen y sensibilidad, la adhesión y la fricción pueden impedir el rendimiento y la confiabilidad 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 superficiales y el lubricante. En comparación con las películas de polisilicio o Si sin dopar, las películas de SiC poseen el rendimiento de fricción más bajo, lo que da como resultado una mayor resistencia al rayado y una funcionalidad mejorada a altas temperaturas. Los recubrimientos duros de carbono tipo diamante (DLC) exhiben 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. [54]
Las propiedades del material dependen del tamaño. Por lo tanto, analizar las características únicas de NEMS y materiales a nanoescala se vuelve cada vez más importante para conservar la confiabilidad y la estabilidad a largo plazo de los dispositivos NEMS. [55] Algunas propiedades mecánicas, como la dureza, el módulo elástico y las pruebas de flexión, para nanomateriales se determinan mediante el uso de un nano penetrador en un material que ha sido sometido a procesos de fabricación. Estas mediciones, sin embargo, no consideran cómo funcionará el dispositivo en la industria bajo tensiones y tensiones 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 nanoescala para medir ciertas propiedades mecánicas de los materiales. [56]
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. [57] Los efectos de las tensiones residuales incluyen, entre otros, fractura, deformación, delaminación y cambios estructurales nanométricos, que pueden provocar fallos de funcionamiento y deterioro físico del dispositivo. [58]
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 banda prohibida de los semiconductores se puede ajustar en consecuencia mediante los efectos de la tensión residual. [59]
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. [60] Además, la tensión residual se puede utilizar para medir la temperatura de fusión de las nanoestructuras mediante el uso de calorimetría diferencial de barrido (DSC) y difracción de rayos X dependiente de la temperatura (DRX). [59]
Los principales obstáculos que actualmente impiden la aplicación comercial de muchos dispositivos NEMS incluyen los bajos rendimientos y la alta variabilidad de la calidad de los dispositivos. Antes de que se puedan implementar dispositivos NEMS, se deben crear integraciones razonables de productos basados en carbono. Recientemente se ha demostrado un paso en esa dirección con el diamante, al alcanzar un nivel de procesamiento comparable al del silicio. [17] Actualmente, la atención se está desplazando del trabajo experimental hacia aplicaciones prácticas y estructuras de dispositivos que implementarán y se beneficiarán de estos dispositivos novedosos. [19] El próximo desafío a superar implica comprender todas las propiedades de estas herramientas basadas en carbono y utilizarlas para crear NEMS eficientes y duraderos con bajas tasas de falla. [48]
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 necesaria ]
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. [61]
Se prevé que el mercado mundial de NEMS alcance los 108,88 millones de dólares en 2022. [62]
Investigadores del Instituto de Tecnología de California desarrollaron un voladizo basado en NEM con resonancias mecánicas de hasta frecuencias muy altas (VHF). La incorporación de transductores de desplazamiento electrónicos basados en una fina película metálica piezoresistiva facilita una lectura inequívoca y eficiente de los nanodispositivos. La funcionalización de la superficie del dispositivo utilizando un fino recubrimiento de polímero 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 aprovechado otras capacidades de los voladizos basados en NEMS para aplicaciones de sensores, sondas de escaneo y dispositivos que funcionan a muy alta frecuencia (100 MHz). [63]