سیستم های نانوالكترومكانیك (NEMS)

1- مقدمه:

محققان با استفاده از مواد و فرآیندهای میكروالكترونیك مدت هاست كه كنترل پرتوها، چرخ دنده ها و پوسته های ماشین های میكروسكوپی را انجام داده اند كه این عناصر مكانیكی و مدارهای میكروالكترونیكی كه آن ها را كنترل می كنند را به طور كل سیستم های میكروالكترومكانیك یا MEMS خوانده اند. در تكنولوژی امروزی MEMS برای انجام اموری در تكنولوژی مدرن مانند باز و بسته كردن دریچه ها، ( سوپاپ ها) چرخاندن آینه ها و تنظیم جریان الكتریسیته و یا جریان نور بكار گرفته می شود. امروزه كمپانی های متعددی از غول های نیمه هادی گرفته تا راه اندازی های كوچك می خواهند ابزار MEMS را برای طیف گسترده ای از مشتریان تولید كنند. با تكنولوژی میكروالكترونیك كه هم اكنون تا حد ریز میكرون پیش رفته است زمان آن رسیده كه كشفیات متمركز NEMS را آغاز كنیم.

شكل 1 خانوادة NEMS نیمه رسانا را نشان داده و مراحل تولید ساخت كلی آن را مطرح می كند. این فرآیند برای طراحی آزادانه ساختارهای نیمه رسانای نانومتر به عنوان نانوماشین سطحی می باشدكه نقطة مخالف میكروماشین بالك MEMS می باشد این تكنیك ها برای سیلكون بر ساختارهای عایق،  گالیوم آرسناید روی سیستم های آلومینیوم گالیوم، كاربید سیلكون برسیلیكون، نیترید آلومینوم بر سیلیكون، لایه های الماس          نانو بلوری و لایه های نیترید سیلكون نامنظم بكار گرفته می شود. اكثر این مواد با درجه خلوص زیاد وجود دارد كه با كنترل دقیق ضخامت لایه ای رشد كرده اند.

این قسمت دوم (كیفیت كنترل لایه ای) كنترل ابعادی در بعد عمودی در سطح تك لایه ای را كنترل می كند. این مقوله كاملا منطبق با دقت ابعادی جانبی لیتوگرافی  پرتوالكترونی است كه به مقیاس اتمی نزدیك می شود.

NEMS دارای ویژگی های چشمگیری می باشد. آن ها دسترسی به فضای پارامتری را كه غیر پیش بینی است را فراهم می كنند؛ فركانس های مقاومت تشدیدی در میكرویو، ضریب كیفیت مكانیكی در دهها هزار، توده های فعال در femtogram، ظرفیت گرمایی پایین تر از یوكتوكالری و ...

این ویژگی ها تصورات و سیل افكار برای تجربیات و آزمایشات هیجان انگیز را بوجود می آورد و در عین حال تعداد زیادی سؤالات غیرقابل پیش بینی و نگرهایی های بیشماری را نیز بدنبال دارد از جمله این سؤالات: چگونه مبدل ها در مقیاس نانو مشخص می شوند؟ چگونه ویژگی های سطحی كنترل می گردد؟ ویژگی های پارامتر NEMS با هر اندازه و مقیاسی گسترده می باشند. كسانی كه می خواهند نسل بعدی NEMS را توسعه دهند باید به سمت آخرین كشفیات فیزیك و علوم مهندسی در جهات مختلف سوق بیابند. این بازنگری در چهار قسمت اصلی ذكر شده است. در دو بخش بعدی ما سعی می كنیم یك معرفی متعادل از NEMS را ارائه دهیم. ما نه تنها ویژگی های جالب و مورد توجه NEMS را مورد بحث و بررسی قرار می دهیم بلكه یك مرور كلی بر چالش های اساسی و تكنولوژیكی را ارائه خواهیم داد.

همچنان كه به بخش های بعدی نزدیك می شویم، معلوم می شود كه كدام یك از این چالش ها از طریق مهندسی سیستماتیك قابل بحث و بررسی است. در بخش چهارم این تحقیق، یكی از كاربردهای  ضروری NEMS را كه آشكارسازی نانوالكترومكانیك فراحسی می باشد تحت مطالعه قرار می دهیم. در بخش پنجم پروژه ها را ارائه خواهیم داد.

یك سیستم نانو الكترومكانیك (NEMS) از یك تشدیدگر مكانیكی با درجه بندی نانومتر –به- میكرومتر تشكیل می شود كه به یك ابزار الكترونیك دارای ابعاد قابل قیاس مزدوج می شود ، تشدیدگر مكانیكی می تواند یك شكل هندسی ساده داشته باشد مثل یك طرّه یا یك پل و از موادی مثل سیلیكون با استفاده از تكنیك های لیتوگرافی مشابه به نمونه های به كار رفته برای ساختن مدارهای تركیبی ساخته می شوند. به خاطر اندازه میكروشان، تشدیدگرهای مكانیكی می توانند با فركانس هایی در محدوده چند مگاهرتز تا حدود یك گیگا هرتز  نوسان داشته باشند. ما به طور نرمال، به ایده نوسان سیستم های مكانیكی در چنین فركانس های رادیویی – به- میكروویو، عادت نمی كنیم.

اتصال به ابزار الكترونیك به شیوه الكترو استاتیكی بومی با بكار گیری یك ولتا‍ژ به یك لایه فلزی گذاشته شده روی سطح تشدیدگر مكانیكی انجام می شود. یك نمونه از یك ابزار الكترونیك تزویجی، یك ترانزیستورتك الكترونی (SET) است كه در شكل 1 نشان داده شده است. كوانتوم الكترون ها، هر كدام در یك زمان از عرض ترانزیستور از الكترود درین به الكترود سورس كه توسط یك ولتاژ درین- سورس Vds تحریك     می شود تشكیل كانال می دهند.

بزرگی كانال دردرین به ولتاژ اعمال شده به الكترود گیت سوم (ولتاژ گیت ) بستگی دارد. چون تشدیدگر مكانیكی بخشی از الكترود گیت را تشكیل می دهد، حركت تشدیدگر ولتاژ گیت را تغییر می دهد و از این رو جریان كانال درین سورس بعد از تقویت آشكار می گردد؟

 با فركانس های بالا و جرم های اینرسی كوچك تشدیدگرهای نانومكانیكی همراه با قابلیت های شناسایی جابجایی مكانیكی فراحساس ابزارهای الكترونیك مكانیكی،به نظر می رسد NEMS گرایش زیادی به مترولوژی نشان می دهد.

یك زمینه كاربرد ممكن، میكروسكوپ  نیرو است كه در آن نوك پایه روی یك سطح را جاروب می كند و جابجایی های پایه با حركت نوك پایه روی سطح اندازه گیری     می شوند و یك نقشه توپوگرافی نیرو را ایجاد می كنند. میكروسكوپ نیروی تشدید مغناطیسی (MRFM) مزیت خاصی دارد كه یك نوك پایه فرومغناطیسی را بكار برده و نقشه برداری از الكترون جفت نشده و چگالی های چرخش هسته ای در سطح و زیر سطح انجام می شود. اخیراًٌ ، حساسیت های آشكار سازی چرخش تك الكترون بدست آمده است [12و11]، كاربردهای بالقوه در تعیین خصوصیات در سطح تك مولكولی یا اتمی، زیاد هستند و با كاربرد ابزارهای MRFM  و NEMS طراحی شده مناسب كوچكتر، فركانس های مكانیكی بالاتر ممكن است منجر به زمان های بازخوانی سریعتر در میزان حساسیت های معادل یا بهتر شوند.