ナノ電気機械システム

カーボンナノチューブ（CNT）は、円筒状のナノ構造を持つ炭素の同素体です。これらは、丸めたグラフェンと考えることができます。特定の離散的な（「キラル」な）角度で丸められた場合、その角度と半径の組み合わせによって、ナノチューブがバンドギャップ（半導体）を持つか、バンドギャップを持たない（金属）かが決まります。

金属カーボンナノチューブは、高電流密度を伝送できるため、ナノエレクトロニクス相互接続にも提案されています。 ^{[ 21 ]} これは、電流を伝送するワイヤがあらゆる電気システムのもう1つの基本的な構成要素であるため、有用な特性です。カーボンナノチューブは特にNEMSで非常に多く使用されており、懸架されたカーボンナノチューブを他のナノ構造に接続する方法がすでに発見されています。^{[ 29 ]} これにより、カーボンナノチューブは複雑なナノ電気システムを形成することができます。炭素ベースの製品は適切に制御でき、相互接続やトランジスタとしても機能するため、NEMSの電気部品の基本材料として機能します。

MEMSスイッチのNEMSスイッチに対する大きな欠点は、MEMSのスイッチング速度がマイクロ秒の範囲に制限されていることであり、これが高速アプリケーションでのパフォーマンスを妨げています。スイッチング速度と駆動電圧の制限は、デバイスをマイクロメートルスケールからナノメートルスケールに縮小することで克服できます。^{[ 30 ]}カーボンナノチューブ（CNT）ベースのNEMSスイッチと対応するCMOSの性能パラメータを比較すると、CNTベースのNEMSスイッチはより低いエネルギー消費レベルで性能を維持し、サブスレッショルドリーク電流はCMOSスイッチよりも数桁小さいことが明らかになりました。^{[ 31 ]}ダブルクランプ構造のCNTベースのNEMSは、フローティングゲート不揮発性メモリアプリケーションの潜在的なソリューションとしてさらに研究されています。^{[ 32 ]}

NEMS技術にとってカーボンナノチューブとグラフェンは多くの有用な特性を持っているにもかかわらず、これらの製品の実装にはいくつかの障害があります。主な問題の1つは、実際の環境に対するカーボンの反応です。カーボンナノチューブは酸素にさらされると電子特性が大きく変化します。^{[ 33 ]} 同様に、カーボンベースの材料の電子特性と機械的特性に対するその他の変化は、特に表面積が大きいため周囲の環境と容易に反応する可能性があるため、実装前に十分に調査する必要があります。カーボンナノチューブは、処理時のらせん構造に応じて金属的または半導体的となるなど、導電率が異なることもわかっています。 ^{[ 34 ]}このため、すべてのナノチューブが適切な導電率を持つように、処理中にナノチューブに特別な処理を施す必要があります。グラフェンは、エネルギーバンドギャップ がないため、従来の半導体と比較して複雑な電気伝導特性を持ち、グラフェンベースのデバイスを電子がどのように移動するかのルールを根本的に変更します。^{[ 23 ]} これは、従来の電子機器の構造ではおそらく機能せず、これらの新しい電子機器のためにまったく新しいアーキテクチャを設計する必要があることを意味します。

グラフェンの機械的および電子的特性により、心臓モニタリングシステムやモバイルモーションキャプチャ用の小型センサーやアクチュエータなどのNEMS加速度計への統合に有利になっています。グラフェンの原子スケールの厚さは、システムの必要な感度レベルを維持しながら、加速度計をマイクロスケールからナノスケールに縮小するための道筋を提供します。^{[ 35 ]}

シリコン製のプルーフマスを二層グラフェンリボン上に吊り下げることで、加速度計に現在使用されているトランスデューサと同等の機能を備えたナノスケールのバネ質量およびピエゾ抵抗トランスデューサを作製できます。バネ質量は精度を高め、グラフェンのピエゾ抵抗特性は加速度による歪みを加速度計の電気信号に変換します。吊り下げられたグラフェンリボンはバネとピエゾ抵抗トランスデューサを同時に形成し、NEMS加速度計の性能を向上させながらスペースを効率的に利用します。^{[ 36 ]}

PDMSはNEMS技術で頻繁に使用されています。例えば、ダイヤフラム上のPDMSコーティングはクロロホルム蒸気の検出に使用できます。^{[ 40 ]}

シンガポール国立大学の研究者らは、室温でクロロホルム蒸気を検出するために、シリコンナノワイヤ（SiNW）を埋め込んだポリジメチルシロキサン（PDMS）コーティングのナノ電気機械システム（NEMS）ダイヤフラムを開発した。クロロホルム蒸気が存在すると、マイクロダイヤフラム上のPDMS膜が蒸気分子を吸収して膨張し、マイクロダイヤフラムが変形する。マイクロダイヤフラム内に埋め込まれたSiNWはホイートストンブリッジで接続されており、この変形を定量的な出力電圧に変換する。さらに、このマイクロダイヤフラムセンサーは、低コストかつ低消費電力で製造できることも実証している。拡張性、超小型サイズ、CMOS - ICプロセスとの互換性において大きな可能性を秘めている。蒸気吸収ポリマー層を切り替えることで、同様の手法を適用でき、理論的には他の有機蒸気も検出できるはずである。

材料のセクションで説明した固有の特性に加えて、PDMSはクロロホルムを吸収するために使用でき、その影響は一般的にマイクロダイヤフラムの膨潤と変形に関連しています。この研究では、さまざまな有機蒸気も測定されました。良好な経年安定性と適切なパッケージングにより、熱、光、放射線に対するPDMSの劣化速度を遅らせることができます。^{[ 41 ]}

パッケージングの課題は、MEMS および NEMS の総コストの 75 ～ 95% を占めることが多い。パッケージング設計では、MEMS または NEMS コンポーネントの設計に合わせて、ウェーハのダイシング、デバイスの厚さ、最終リリースのシーケンス、熱膨張、機械的応力の分離、電力と放熱、クリープの最小化、メディアの分離、および保護コーティングなどの要素が考慮される。^{[ 51 ]}剥離解析、モーション解析、および寿命テストは、キャップ ツー ウェーハ、ウェーハ ツー ウェーハ、薄膜封止などのウェーハ レベルの封止技術を評価するために使用されている。ウェーハ レベルの封止技術は、マイクロ デバイスとナノ デバイスの両方で信頼性の向上と歩留まりの向上につながる可能性がある。^{[ 52 ]}

製造工程の初期段階でNEMSの信頼性を評価することは、歩留まり向上に不可欠です。接着力や静電力などの表面力は、表面形状や接触形状に大きく依存します。ナノテクスチャ表面を選択的に製造することで接触面積が減少し、NEMSの接着力と摩擦性能の両方が向上します。^{[ 53 ]}さらに、ナノポストをエンジニアリングされた表面に実装すると疎水性が高まり、接着力と摩擦の両方が減少します。^{[ 54 ]}

接着力と摩擦力もナノパターニングによって操作でき、NEMS デバイスの適切な用途に合わせて表面粗さを調整できます。オハイオ州立大学の研究者は、原子間力顕微鏡/摩擦力顕微鏡 (AFM/FFM) を使用して、2 種類のパターン化された突起 (低アスペクト比と高アスペクト比) を持つ親水性ポリマーの疎水性、接着力、摩擦力に対するナノパターニングの影響を調べました。親水性表面と疎水性表面の粗さは、それぞれ逆相関と正相関の関係にあることがわかりました。^{[ 24 ]}

表面積対体積比が大きく感度が高いため、接着と摩擦はNEMSデバイスの性能と信頼性を阻害する可能性があります。これらの摩擦学的問題は、これらのツールの自然な小型化から生じますが、構造材料、表面膜、および潤滑剤を操作することによってシステムを最適化できます。ドープされていないSiまたはポリシリコン膜と比較して、SiC膜は摩擦出力が最も低く、耐擦傷性が向上し、高温での機能が向上します。硬質ダイヤモンドライクカーボン（DLC）コーティングは、化学的および電気的耐性に加えて、低摩擦、高硬度、耐摩耗性を示します。濡れ性を低下させ疎水性を高める要因である粗さは、接触角を大きくして濡れ性を低下させ、デバイスとその環境との接着と相互作用を低くすることで最適化できます。^{[ 55 ]}

材料特性はサイズに依存します。そのため、NEMS およびナノスケール材料の固有の特性を分析することは、NEMS デバイスの信頼性と長期安定性を維持するためにますます重要になっています。^{[ 56 ]}ナノ材料の硬度、弾性率、曲げ試験などの機械的特性の一部は、製造プロセスを経た材料にナノインデンターを使用して決定されます。ただし、これらの測定では、デバイスが長期間または周期的な応力とひずみの下で産業でどのように動作するかは考慮されていません。シータ構造は、独自の機械的特性を示す NEMS モデルです。Si で構成されたこの構造は、強度が高く、ナノスケールで応力を集中させて材料の特定の機械的特性を測定できます。^{[ 57 ]}

構造的完全性の信頼性を高めるためには、適切な長さスケールでの材料構造と固有応力の両方の特性評価がますます重要になってきている。^{[ 58 ]}残留応力の影響には、破壊、変形​​、剥離、ナノサイズの構造変化などが含まれるが、これらに限定されず、デバイスの動作不良や物理的劣化につながる可能性がある。^{[ 59 ]}

残留応力は電気的特性や光学的特性に影響を与える可能性があります。例えば、さまざまな太陽光発電や発光ダイオード（LED）の用途では、残留応力の影響によって半導体のバンドギャップエネルギーを調整することができます。^{[ 60 ]}

原子間力顕微鏡（AFM）とラマン分光法は、力体積イメージング、トポグラフィー、力曲線の観点から、薄膜上の残留応力の分布を特徴付けるために使用できます。^{[ 61 ]}さらに、残留応力は、示差走査熱量測定（DSC）と温度依存X線回折（XRD）を使用してナノ構造の融点を測定するために使用できます。^{[ 60 ]}