in

NEMS – Ce sunt sistemele NanoElectroMecanice?

NEMS – NanoElectroMechanical Systems | A Simple Overview – RankRed

NEMS (prescurtare de la NanoElectroMechanical System) sunt dispozitive care integrează funcționalitatea electrică și mecanică la scară nanometrică, adică la sau sub 100 de nanometri.

Sunt nivelul avansat de miniaturizare după MEMS (Sistem MicroElectroMechanical) care se ocupă de obicei cu componente cu dimensiuni între 1 și 100 de nanometri.

NEMS are mai multe atribute fascinante. Poate oferi acces la frecvențe fundamentale din gama de microunde, sensibilități de forță la nivelul attonewton, capacități de căldură mult sub o yoctocalorie, mase active în intervalul femtogramelor, sensibilitate la masă la nivelurile moleculelor individuale – lista poate continua.

NEMS conține în principal aparate precum actuatoare, senzori, rezonatoare, fascicule, senzori și motoare. Aceste componente transformă o formă de energie în alta, care poate fi apoi măsurată și utilizată cu ușurință.

Exemple timpurii de NEMS

Primul NEMS a fost construit de Dawon Kahng și Mohamed M. Atalla la Bell Labs în 1960. Era un MOSFET (tranzistor cu efect de câmp metal-oxid-semiconductor) cu o grosime de oxid de poartă de 100 nm.

Doi ani mai târziu, au fabricat cu succes un tranzistor de joncțiune cu nanostraturi metal de bază și semiconductor care conținea filme de aur cu o grosime de 10 nm. Cu toate acestea, primul MOSFET cu oxid de poartă de 10 nm a venit abia în 1987.

O ilustrare a unui MOSFET, care arată corpul (B), sursa (S), poarta (G) și terminalele de scurgere (D).

Invenția MOSFET-urilor Multi-gate în 1989 a permis mai multor companii, inclusiv Intel, IBM, AMD și Samsung Electronics, să creeze microprocesoare și celule de memorie din ce în ce mai mici.

Procesul VLSI (integrare la scară foarte mare) a făcut posibilă combinarea a milioane de tranzistoare MOS pe un singur cip. Aceste circuite integrate au fost adoptate pe scară largă în anii 1970, permițând dezvoltarea unor semiconductori complexe și tehnici de comunicare.

CPU, GPU, RAM, ROM și alte logici de adeziv sunt toate dispozitive VLSI. Înainte de inventarea procesului VLSI, majoritatea circuitelor integrate puteau îndeplini doar un număr limitat de sarcini.

Microprocesor 80486 (din anii 1990) cu peste un milion de tranzistori

MOSFET este acum considerat elementul de bază al electronicii moderne. Acesta a fost principal responsabil pentru creșterea densității tranzistorilor, îmbunătățirea performanței și reducerea consumului de energie al circuitelor integrate încă din anii 1960.

MOSFET este, de asemenea, unul dintre cele mai fabricate dispozitive din istorie. Începând cu 2018, au fost fabricate aproximativ 13 sextilioane (sau 13 mii de trilioane) MOSFET.

Cum sunt fabricate dispozitivele NEMS?

NEMS poate fi fabricat folosind două abordări complementare:

Abordare de sus în jos: folosește tehnici convenționale de microfabricare, cum ar fi litografia cu fascicule electronice sau optice și tratamente termice, pentru a construi dispozitive. Deși oferă un control mai mare asupra structurilor rezultate, este limitat de rezoluția tehnicii utilizate.

În această abordare, materiile prime sunt structuri relativ mari, cum ar fi cristalele de siliciu. În general, straturile de semiconductori gravate sau peliculele subțiri metalice sunt utilizate pentru a fabrica dispozitive NEMS, cum ar fi nanorods, nanofire și nanostructuri modelate.

În unele cazuri, materialele mari sunt zdrobite la scara nanometrică pentru a crește raportul suprafață-volum, ceea ce în cele din urmă îmbunătățește reactivitatea nanomaterialelor. Procesul de fabricație a nanotuburilor de carbon folosind grafit într-un cuptor cu arc este un exemplu perfect de abordare de sus în jos.

Abordare de jos în sus: folosește caracteristicile chimice ale moleculelor pentru a le organiza sau asambla în conformația dorită. Aceste abordări se bazează pe conceptele de recunoaștere moleculară (interacțiune specifică între două sau mai multe molecule) sau de auto-asamblare moleculară (fără direcție externă).

Deși oferă un control limitat asupra procesului de fabricație, se pot construi structuri mult mai mici fără a risipi mult material în comparație cu abordările de sus în jos.

Abordarea de jos în sus poate fi găsită și în natură. De exemplu, sistemele biologice exploatează forțele chimice pentru a produce structuri celulare necesare vieții. Cercetătorii încearcă să imite acest comportament al naturii pentru a crea grupuri de anumiți atomi care se pot auto-asambla în niște structuri utile.

Un bun exemplu de astfel de abordări este fabricarea de nanotuburi de carbon folosind o tehnică de polimerizare catalizată de metal.

Materiale utilizate pentru realizarea NEMS

1. Polydimethylsiloxane

Polidimetilsiloxanul este cel mai utilizat polimer organic pe bază de siliciu. Acest elastomer siliconic este cunoscut pentru proprietățile sale unice. Este stabil termic, inert chimic, configurabil mecanic, clar optic și, în general, netoxic, inert și neinflamabil.

Deoarece poate forma o etanșare etanșă cu siliciu, poate fi integrat în NEMS, configurând atât caracteristicile electrice, cât și mecanice. Forțele de aderență ale polidimetilsiloxanului funcționează mai bine în medii umede variate și posedă un coeficient de frecare mai scăzut în comparație cu siliciul.

Coeficientul scăzut de frecare și hidrofobicitatea polidimetilsiloxanului îl fac un material perfect pentru a fi încorporat în cercetarea NEMS. De asemenea, câștigă atenția în tehnologia NEMS datorită producției sale eficiente în timp și ieftine.

Studiile arată că rata de degradare a polidimetilsiloxanului în lumină, căldură și radiații poate fi încetinită cu un ambalaj adecvat și o bună stabilitate la îmbătrânire.

2. Materiale bazate pe carbon

Alotropii de carbon, în special grafenul și nanotubul de carbon, sunt utilizați pe scară largă în tehnologia NEMS. Caracteristicile lor îndeplinesc direct cerința NEMS. De exemplu, conductivitățile semiconductoare și metalice ale alotropilor de carbon le permit să funcționeze ca tranzistori.

Pe lângă avantajele mecanice ale alotropilor de carbon, proprietățile electrice ale grafenului și nanotuburilor de carbon le permit să fie utilizate în mai multe componente ale NEMS. Rezistența fizică a grafenului și nanotuburilor de carbon îndeplinește cerințe mai mari de stres. Astfel, ele sunt utilizate în principal în dezvoltarea tehnologică NEMS.

În timp ce grafenul NEMS poate funcționa ca senzori de masă și forță, nanotuburile de carbon NEMS au fost utilizate pe scară largă în nanomotoare (care generează forțe de ordinul piconewtonilor), comutatoare și oscilatoare de înaltă frecvență.

3. Elemente biologice

Nanorobots

Mașinile biologice, cum ar fi miozina (se ocupă de contracția musculară), sunt cele mai complexe mașini macromoleculare găsite în celule, de obicei sub formă de complexe multi-proteice.

Unele dintre ele sunt responsabile pentru producerea de energie, iar altele pentru expresia genelor. Ele ar putea juca un rol crucial în nanomedicină. De exemplu, acestea ar putea fi folosite pentru a detecta și distruge celulele tumorale.

Nanotehnologia moleculară este un domeniu în curs de dezvoltare al nanotehnologiei care explorează posibilitatea de a proiecta mașini biologice, care ar putea rearanja materia la scară atomică. BioNEMS include elemente structurale biologice și sintetice (la scară nanometrică) pentru aplicații biomedicale/robotice. Nanoroboții, de exemplu, pot fi injectați în organism pentru a identifica și repara infecțiile.

În timp ce elementele propuse ale BioNEMS, cum ar fi nanoroboții și asamblatorii moleculari, depășesc cu mult capacitățile actuale, mai multe studii au dat rezultate promițătoare pentru aplicații viitoare.

 

Aplicații

NEMS servește ca o tehnologie care permite, îmbinând științele vieții cu inginerie în moduri care nu sunt fezabile în prezent cu tehnici la microscală. Va avea un impact semnificativ asupra diferitelor industrii:

Industria semiconductoare: Cel mai utilizat dispozitiv semiconductor este MOSFET. Reprezintă 99,9% din toate tranzistoarele. Având în vedere lungimea porții a tranzistorilor din dispozitivele CPU sau DRAM, scala de lungime critică a circuitelor integrate este deja sub 50 de nanometri. MOSFET-urile recente din siliciu se bazează pe tranzistoare cu efect de câmp fin care utilizează procese de 10 nm și 7 nm.

Automobile: nanomaterialele, cum ar fi nanofoile, nanotuburile din nanofibre, nanofirele și nanorodurile, oferă mai multe beneficii în sectorul auto. De exemplu, nano-aditivii pot îmbunătăți în mod semnificativ durata de viață a anvelopelor, precum și rezistența la abraziune, rezistența la rulare și tracțiunea umedă. NEMS este, de asemenea, cheia pentru îmbunătățirea performanței celulelor de combustibil ale generațiilor viitoare de mașini alimentate cu hidrogen.

Comunicare: Datorită proprietăților mecanice unice (care permit frecvențe de rezonanță înaltă și tunabilitate de înaltă frecvență), rezonatoarele NEMS, inclusiv rezonatoarele cu grafen, oferă o bază promițătoare pentru viitoarele sisteme de comunicații ultrarapide. Cu toate acestea, majoritatea dezvoltărilor din acest domeniu sunt în prezent limitate la modele teoretice, simulări și experimente de laborator.

Sectorul medical: Senzorii NEMS detectează și monitorizează datele pacienților, cum ar fi nivelul apei, nivelul glucozei și prezența diferitelor proteine ​​și ioni. Acești senzori pot fi configurați pentru a identifica anumite proteine, de la albumină umană la beta-2-microglobuline. Pe lângă monitorizare, pot separa celule de diferite dimensiuni, prevenind înfundarea unui sistem microfluidic.

Stocarea și producția de energie: Nanotehnologia este foarte promițătoare pentru creșterea duratei de viață și a performanței bateriilor litiu-ion. De asemenea, are potențialul de a spori densitatea puterii, de a scurta timpul de reîncărcare, precum și de a reduce greutatea și dimensiunea, îmbunătățind în același timp stabilitatea și siguranța bateriilor.

În plus, cercetările sunt în curs de utilizare a dispozitivelor electrochimice la scară nanometrică, cum ar fi pilele galvanice sau de combustibil, pentru a produce energie. Sunt generatoare bio-nano care extrag energie din glicemia dintr-un corp viu (în același mod în care organismul generează energie din alimente).

Există, de asemenea, cercetări în mai multe materiale nanostructurate, în special nanofire, cu scopul de a dezvolta celule solare mai eficiente și mai ieftine decât sunt posibile cu celulele solare planare tradiționale din siliciu.

Piața globală și viitor

Piața actuală a dispozitivelor NEMS este la început. Este segmentat în nanopensete, nanorezonatoare, giroscoape, nanosenzori, nanoroboți, nanopensete și alte componente minuscule.

Se așteaptă să înregistreze o creștere robustă în următorii ani, care este atribuită beneficiilor NEMS, cum ar fi frecvența de rezonanță ridicată, consumul redus de energie, frecvențele multiple pe un singur cip și reducerea dimensiunii și a costurilor circuitelor integrate.

Citiți: Ce este MEMS (Sistem MicroElectroMechanical)? Tipuri și aplicații

Cercetarea și dezvoltarea în domeniul nanomaterialelor și al nanotehnologiei sunt în curs de desfășurare. Potrivit rapoartelor, piața globală NEMS este de așteptat să crească la un CAGR de 29%. Va ajunge la 108,88 milioane USD până în 2022, America de Nord fiind lider pe piață.

Care este diferența dintre MEMS și NEMS?

MEMS (sisteme microelectromecanice) sunt alcătuite din componente ale căror dimensiuni variază de la 1 μm la 100 μm. Dispozitivele MEMS conțin de obicei o unitate centrală de procesare (cum ar fi un microprocesor) și mai multe componente care interacționează cu mediul înconjurător (cum ar fi microsenzorii).

NEMS (sisteme nanoelectromecanice), pe de altă parte, reprezintă următorul pas de miniaturizare logică a MEMS. Aceste dispozitive integrează funcționalitate mecanică și electrică la scară nanometrică, strict între 1 și 100 nm.

Care sunt avantajele majore ale NEMS?

NEMS au proprietăți unice și interesante, care se abat mult de la predecesorul lor MEMS. De exemplu, pot avea

  • Frecvențe fundamentale în domeniul microundelor (aproximativ ∼100 GHz)
  • Masa activă în intervalul femtogramelor (10-15 g)
  • Sensibilitate la masă până la niveluri de attograme (10-18 g)
  • Sensibilitatea forței la nivelul attonewton (10-18 Newton)
  • Capacitate termică mult sub o ioctocalorie (4,184 x 10+24 J)
  • Consumul de energie de ordinul a 10 wați (10-18 wați)
  • Disipare scăzută de energie
  • Nivel de integrare extrem de ridicat, care se apropie de 1.012 elemente pe centimetru pătrat

Din ce sunt alcătuiți nanosenzorii?

Nanosenzorii sunt fabricați din nanomateriale unidimensionale, cum ar fi nanotuburi și nanofirele.

Aceste dispozitive minuscule măsoară caracteristici fizice precum volumul, concentrația, temperatura, presiunea sau forțele electrice și magnetice. Cele mai comune citiri ale nanosenzorilor includ cele mecanice, vibraționale, optice sau electromagnetice.

What do you think?

Written by Robin

5 Different Types Of Data Center [With Examples] – RankRed

5 tipuri diferite de date, cu exemple

What is Styrene? Composition | Properties | Uses – RankRed

Ce este stirenul? – Compozitie. Proprietati. Utilizari