De Systemen van Nanoelectromechanical (NEMS) - Inleiding, Toepassing en Uitdagingen van Systemen Nanoelectromechanical

Professor Burhanuddin Y. Majlis en Professor Ille C. Gebeshuber, Instituut van Microengineering en Nanoelectronics (IMEN), Universiti Kebangsaan Maleisië; Instituut van Toegepaste Fysica, de Universiteit van Wenen van Technologie en Oostenrijks Centrum van Bekwaamheid voor Wrijvingsleer, Worstje Neustadt.
Overeenkomstige auteur: gebeshuber@iap.tuwien.ac.at

De Systemen van NanoElectroMechanical (NEMS) hebben kritieke structurele elementen bij of onder 100 NM. Dit onderscheidt hen van Systemen MicroElectroMechancial (MEMS), waar de kritieke structurele elementen op de schaal van de micrometerlengte zijn. Vergeleken bij MEMS, combineren NEMS kleinere massa met hogere oppervlakte aan volumeverhouding en zijn daarom interessantst voor toepassingen betreffende hoge frequentieresonators en ultrasensitive sensoren.

De Atoom krachtmicroscopie: De Atoom krachtmicroscopie is een type van de microscopie van de aftastensonde. Een scherp uiteinde opgezet bovenop een flexibele die cantilever is rooster over een oppervlakte wordt afgetast, en diverse oppervlakteparameters zoals topografie en viscoelastic eigenschappen kunnen worden geregistreerd. De scherpte van het uiteinde draagt tot de resolutie van de microscoop bij; daarom worden de koolstof nanotubes met hun kleine diameter en de hoge aspectverhouding opgezet aan het uiteinde gebruikt voor specifieke toepassingen.

Koolstof nanotubes: De Koolstof nanotubes is moleculaire die buizen van koolstof, met een diameter tussen 1nm en 50nm worden gemaakt, en diverse lengten. Er zijn enige ommuurde koolstof nanotubes, dubbele muurkoolstof nanotubes en multiwall koolstof nanotubes. De Koolstof nanotubes kan bijvoorbeeld voor functionalization van uiteinden AFM, in nanocomposites, en als draden in nanotechnological toepassingen worden gebruikt.

Graphene: De bladen van Graphene zijn enige lagen van grafiet met eenvormige honingraat-als structuur. Zij zijn sterke en stabiele, en uitstekende elektrolastencarriers.

MEMS: Tribunes MEMS voor MicroElectroMechanical Systemen. Momenteel, duidt het woord MEMS kunstmatige mechanische elementen, sensoren, actuators en elektronika aan dat dat gebruikend microfabricationtechnologie werd geproduceerd en geïntegreerd op een siliciumsubstraat is. Meer En Meer, wordt het woord MEMS gebruikt voor verkleinde apparaten die op de technologie van het Silicium of traditionele precisietechniek gebaseerd zijn, chemisch of mechanisch.

Nanoelectronics: Nanoelectronics breidt verder miniaturisatie naar de uiteindelijke grens van individuele atomen en molecules uit. Voor zulk een kleinschalig, zouden miljarden apparaten in één enkel nanoelectronical systeem kunnen worden geïntegreerd. Nanoelectronics wordt vaak beschouwd als een vernietigende technologie omdat de huidige kandidaten voor nanoelectronical functionele elementen van traditionele transistors beduidend verschillend zijn.

Nanofabricatie: De Nanofabricatie verwijst naar de vervaardiging van materialen, fysieke structuren of apparaten met minstens één van hun afmetingen in de waaier van 1-100 NM. Divers nanofabricated eigenschappen, de fenomenen en het gedrag van het apparatententoongestelde voorwerp de functionele die hen duidelijk van hun macroschaaltegenhangers onderscheiden.

NEMS: Tribunes NEMS voor Systemen NanoElectroMechanical. NEMS breiden verder miniaturisatie naar de uiteindelijke grens van individuele atomen en molecules uit. NEMS zijn kunstmatige apparaten met functionele eenheden op een lengteschaal tussen 1 en 100 NM. Sommige NEMS zijn gebaseerd op de beweging van nanometer-schaal componenten.

De toepassingen NEMS zijn overwogen in het ontdekken, vertoningen, draagbare machtsgeneratie, energie het oogsten, druglevering en weergave1. De Voorbeelden voor NEMS bestaan uit nanoresonators2,3 en nanoaccelerometers4, geïntegreerde peizoresistive opsporingsapparaten5. De Toepassingen die of reeds hebben bereikten de markt of zijn beschikbaar aangezien de onderzoekprototypen ultrasharp uit uiteinden voor de atoomkrachtmicroscopie (b.v., enig-ommuurde koolstof nanotubes opgezet op het uiteinde van een atoomcantilever van de krachtmicroscopie), een6niet-vluchtig geheugen NEMS, sensoren7NEMS, één enkele8,9het elektronentransistors van de Koolstof nanotube, nanoelectrometers10, relais11en schakelaars met nanotubes, pH12,13sensoren, eiwit14concentratiedetectors, enz.15bestaan.

NEMS kan of geproduceerde bottom-up, top-down (b.v. chemische zelfassemblagemethodes de methodes van CVD warmhoudplaattechniek) (b.v. metaal dunne films of geëtste halfgeleiderlagen die met behulp van ets, met de hulpmiddelen van de aftastensonde of met nanolithographymethodes) worden veroorzaakt of via gecombineerde methodes zijn waar de molecules in een top-down kader geïntegreerd zijn. De Koolstof16(graphene, koolstof nanotubes) is een belangrijk die materiaal in huidige NEMS wordt gebruikt.

De Huidige uitdagingen in NEMS betreffen de gemaakte productie van metaal of semiconducting Koolstof nanotubes17 evenals stiction en smeringskwesties18. De Monomoleculaire smeermiddelfilms zijn een heet onderwerp van onderzoek19.

Bioinspiration: In MEMS en NEMS technologie - vergelijkbaar met biologie - een beperkt aantal grondstoffen wordt gebruikt, verstrekkend een brede waaier van functionele en structurele eigenschappen. De ingewikkeldheid van de benadering (in biologie evenals in techniek) stijgt met dalend aantal grondstoffen. Biomimetics, d.w.z., technologieoverdracht van biologie aan techniek, is vooral belovend in ontwikkeling MEMS wegens de materiële beperkingen op beide gebieden. 20

De Diatomeeën21 zijn enige cellige organismen die bewegende delen in relatieve motie op nanoscale hebben. Zij zijn hoog-potentiële biologische systemen die nieuwe technologieën kunnen inspireren NEMS: De Diatomeeën zoals sudetica Eunotia, Bacillaria paxillifer en species van Ellerbeckia hebben scharnieren en met elkaar verbindende apparaten op de verscheidene 100 nanometerschaal20, pennatum van diatomeeënCorethron en Corethron de het klik-einde van het criophilumtentoongestelde voorwerp mechanismen op de micrometer lengthscale en hieronder en het openen van cellen van deze species nadat de celafdeling een uitstekend voorbeeld op hoe te om 3D structuren uit vervaardigde 2D structuren te verkrijgen is20. Zelfs zouden de lentes en micropumps op de micro en nanoscale, b.v. in grevilleana van diatomeeënRutilaria en philipinnarum kunnen worden gerealiseerd Rutilaria, 22,23hoewel dit nog onderwerpen van bespreking zijn.

Vooruitzichten

De Toekomstige toepassingen van NEMS zijn moeilijk te voorspellen. Het prototype NEMS dat economisch interessantst zou zijn is degenen die het moeilijkst om zijn worden op de markt gebracht. De Toepassingen die biologie en nanotechnologie combineren schijnen de veelbelovendste te zijn24. Nanoresonators zou directe gevolgen voor de draadloze communicatie technologieën hebben.

De Mogelijke toepassingen van nanomotors zouden nanofluidic pompen voor biochips of sensoren kunnen zijn. Volgens Alex Zettl van de Universiteit van Berkeley, zou CA, de V.S., het te voorschijn komen NEMS ook weg de manier voor nieuwe MicroElectroMechanical Systemen (MEMS) kunnen die momenteel belangrijke problemen met stiction hebben; de geïntegreerde systemen van NEMS en MEMS zouden van hoge relevantie (zoals sensoren MEMS met NEMS als kerncomponenten) kunnen zijn, vergeleken bij de natuurlijke systemen in biologie, waar de cellen, ware micro-voorwerpen, diverse nanoparts als integratiecomponenten hebben.

Het Recente werk door de Afdeling van de Wetenschap van Omvormers en Technologie van de Universiteit van Twente, Holland, is geconcentreerd op de bouw van echt driedimensionele nanostructures. De gebieden van toepassingen worden nog niet volledig onderzocht maar de eerste studies bij cel het opsluiten in 3D nanoconfined voorwerpen en selforganizing nanoparticles zijn aan de gang. De Recente studies in het 3D beeldhouwen zijn op hoeklithografie voor het geavanceerde sonderen (smarticles) en uiteindelijk scherpe sondeuiteinden25. Dit onderzoek zou tot het interessante te voorschijn komen MEMS kunnen leiden.


Verwijzingen

1. Cimalla V., Niebelschütz F., Tonisch K., Foerster CH., Brueckner K., Cimalla I., T., Friedrich, Pezoldt J., Stephan R., Hein M. en Ambacher O. Nanoelectromechanical apparaten om toepassingen, Functionele Materialen voor Micro en Nanosystems - EMRS, Sensoren en Actuators B te ontdekken: Chemisch Product 126(1), 2007, 24-34, doi: 10.1016/j.snb.2006.10.049
2. LaHaye M.D., Buu O., Camarota B. en Schwab K.C. die de quantumgrens van een nanomechanical resonator Nadert, Wetenschap 304(5667), 2004, 74-77, doi: 10.1126/science.1094419
3. Peng H.B., Chang C.W., S Aloni., Yuzvinsky T.D. en Zettl A. Microwave elektromechanische resonator die uit vastgeklemde koolstof nanotubes in een telraamregeling bestaat, Phys. Toer B 76(3), 2007, 035405 (5p)
4. Fennimore A.M., Yuzvinsky T.D., Han W. - Q., M.S. Fuhrer, Cumings J. en Zettl A. Rotational actuators op koolstof wordt gebaseerd nanotubes, Aard 424, 2003, 408-410, doi die: 10.1038/nature01823
5. M.L. Ultra-sensitive op NEMS-Gebaseerde cantilevers Li M., Tang H.X. en Roukes voor het ontdekken, afgetaste sonde en toepassingen zeer met hoge frekwentie, Aard Nanotech. 2, 2006, 114-120, doi: 10.1038/nnano.2006.208
6. Bos J.S., Rhodin T.N. en de weergave van McEuen P.L. noncontact-AFM van moleculaire oppervlakten die single-wall koolstof nanotube technologie, Nanotechnologie 15, 2004, S76-S78 gebruiken
7. Tsuchiya Y., Takai K., Momo N., Nagami T., Mizuta H. en Oda S. Nanoelectromechanical niet-vluchtig geheugenapparaat dat de punten van nanocrystallineSi, J. Appl opneemt. Phys. 100(9), 2006, 094306
8. Besteman K., Lee J.O., Wiertz F.G.M., Heering H.A. en Dekker C. Enzyme-coated koolstof nanotubes als enig-moleculebiosensors, Nano Brieven 3(6), 2003, 727-730
9. Cui Y., Wei Q., Park H. en nanosensors van Lieber C.M. Nanowire voor hoogst gevoelige en selectieve opsporing van biologische en chemische species, Wetenschap 293, 2001, 1289-1292
10. Postma H.W.Ch., Teepen T., Yao Z., Grifoni M. en Dekker C. Carbon nanotube enig-elektronentransistors bij kamertemperatuur, Wetenschap 293(5527), 2001, 76 - 79, doi: 10.1126/science.1061797
11. Cleland A.N. en Roukes M.L. op nanostructure-Gebaseerde mechanische electrometrie, Aard 392, 1998, 160
12. Kinaret J.M., Nord T. en Viefers S. Op koolstof-nanotube-gebaseerde nanorelay, Appl. Phys. Lett. 82(8), 2003, 1287-1289
13. Kaul A.B., Wong E.W., de Jacht van EVP L.and B.D., Elektromechanische koolstof nanotube schakelaars voor toepassingen met hoge frekwentie, Nano Lett. 6(5), 2006, 942-947
14. Chen Y., Wang X., Erramilli S., Mohantya P. en Kalinowski A. Silicon-based nanoelectronic field-effect pH sensor met lokale poortcontrole, Appl. Phys. Lett. 89, 2006, 223512
15. Lee W.C., Cho Y.H. en Pisano A. Nanomechanical eiwitconcentratiedetector die een nanogap gebruiken die actuator met gecompenseerde verplaatsing controleelektroden drukken, J. Microelectromechanical Systems 16(4), 2007, 802-808
16. Mahalik N.P. Micromanufacturing & Nanotechnologie, Aanzetsteen 2006
17. Ebbesen T.W., Lezec H.J., Hiura H., Bennett J.W., Ghaemi H.F. en Thio T. Elektrogeleidingsvermogen van individuele koolstof nanotubes, Aard 382, 1996, blz. doi 54 - 56: 10.1038/382054a0
18. Bhushan B. Nanotribology en Nanomechanics: Een Inleiding, het Publiceren van de Aanzetsteen, 2008
19. Tomala A., Werner W.S.M., Gebeshuber I.C., Doerr N. en Stoeri H. Tribochemistry van monomoleculaire smeermiddelfilms van ethanolamineoligomers, Trib. Int. 42(10), 2009, 1513-1518, doi: 10.1016/j.triboint.2009.06.004
20. Gebeshuber I.C., Stachelberger H., Ganji B.A., Fu D.C., Yunas J. en Majlis B.Y. die het innovationalpotentieel van biomimetics voor nieuwe 3D MEMS, Adv Onderzoeken. Mat. Onderzoek. 74, 2009, 265-268, doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.74.265
21. Ronde F.E., Crawford R.M. en Mann D.G. De diatomeeën: biologie en de morfologie van de soorten, de Universitaire Pers van Cambridge, Cambridge, het UK, 1990
22. Crawford R.M. en Sims P.A. Sommige principes van kettingsvorming zoals die bij vroeg diatomeeën fossiel verslag blijk van worden gegeven van, Nova Hedwigia Beiheft 133, 2007, 171-186
23. Srajer J., Majlis B.Y. en de simulatie van Gebeshuber I.C. Microfluidic van een koloniale diatomeeënketting openbaren oscillerende beweging, Handelingen Bot. Kroatisch. 68 (2), 2009, 431-441
24. Madou M.J. Van MEMS aan bio-MEMS en bio-NEMS: De Technieken van de Productie en Toepassingen, CRC Pers, 2010
25. Berenschot E., Tas N.R., Jansen H.V. en Elwenspoek M. 3D-Nanomachining gebruikend hoeklithografie. de 3de Internationale Conferentie van IEEE over Nano/Gebouwde Micro en Moleculaire Systemen, NEMS, 2008, art. nr 4484432, 729-732

Copyright AZoNano.com, Professor Ille C. Gebeshuber (Universiti Kebangsaan Maleisië)

Date Added: Dec 13, 2009 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 23:06

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit