تحقیق سيستم هاي نانو الكترومكانيك (NEMS)
سيستم هاي نانوالكترومكانيك (NEMS) در جوامع علمي و تكنيكي مورد توجه زيادي بوده اند. اين دسته از سيستم ها كه بسيار شبيه به سيستم هاي ميكروالكترومكانيك هستند در انواع حالات تشديد شده خود با ابعادي در سابميكرون عميق عمل مي كنند. سيستم در اين محدوده، داراي فركانس هاي رزونانس بسيار، توده هاي فعال تحليل يافته و ثبات نيروي پايداري باشند؛ ضريب كيفيت تشديد اين سيستم در رنج Q lo3-105 بسيار بالاتر از دسته ديگر مدارهاي تشديدي الكتريكي مي باشند. اين سيستم در NEMS براي دسته بسياري از كاربردهاي تكنولوژي مانند سنسور فراسريع، دستگاه راه اندازي، و اجزاي پردازش سيگنال مهيا مي سازد.
به طور آزمايشي از NEMS انتظار مي رود كه امكان تحقيق بر فرآيندهاي مكانيكي متعادل فونون و واكنش كوانتوم سيستم هاي مكانيكي مزوسكوپيك را فراهم آورد. با وجود اين، هنوز چالش هاي ريشه اي و تكنولوژيكي براي بهينه سازي NEMS وجود دارد. در اين بررسي ما بايد مروری بر چشم اندازها و چالش ها در اين زمينه يك معرفي متعادل از NEMS را ارائه داده و كاربردهاي جالب و آشكارسازي الكترومكانيك را به تصوير مي كشيم.
سيستم هاي نانو الكترومكانيكي (NEMS)، تشديد گرهاي مكانيكي با مقياس نانو – به – ميكرو متر مي باشند كه به ابزار الكترونيكي داراي ابعاد مشابه وصل مي شوند. NEMS نويد ميكروسكوپ نيروي فراحساس سريع و عميق شدن فهم ما از چگونگي پيدايش ديناميك كلاسيك با نزديك شدن به ديناميك كوانتوم مي باشد. اين پژوهش با يك بررسي از NEMS شروع شده و پس از جنبه هاي خاص ديناميك كلاسيك آنها را توصيف مي كند. مخصوصاً، نشان مي دهيم كه براي اتصال ضعيف، عمل ابزار الكترونيكي روي تشديدگرمكانيكي مي تواند به طور مؤثر، يك حمام حرارتي باشد در حاليكه ابزار، يك محرك خارج از تعادل سيستم باشد.
1- مقدمه:
محققان با استفاده از مواد و فرآيندهاي ميكروالكترونيك مدت هاست كه كنترل پرتوها، چرخ دنده ها و پوسته هاي ماشين هاي ميكروسكوپي را انجام داده اند كه اين عناصر مكانيكي و مدارهاي ميكروالكترونيكي كه آن ها را كنترل مي كنند را به طور كل سيستم هاي ميكروالكترومكانيك يا MEMS خوانده اند. در تكنولوژي امروزي MEMS براي انجام اموري در تكنولوژي مدرن مانند باز و بسته كردن دريچه ها، ( سوپاپ ها) چرخاندن آينه ها و تنظيم جريان الكتريسيته و يا جريان نور بكار گرفته مي شود. امروزه كمپاني هاي متعددي از غول هاي نيمه هادي گرفته تا راه اندازي هاي كوچك مي خواهند ابزار MEMS را براي طيف گسترده اي از مشتريان توليد كنند. با تكنولوژي ميكروالكترونيك كه هم اكنون تا حد ريز ميكرون پيش رفته است زمان آن رسيده كه كشفيات متمركز NEMS را آغاز كنيم.
شكل 1 خانوادة NEMS نيمه رسانا را نشان داده و مراحل توليد ساخت كلي آن را مطرح مي كند. اين فرآيند براي طراحي آزادانه ساختارهاي نيمه رساناي نانومتر به عنوان نانوماشين سطحي مي باشدكه نقطة مخالف ميكروماشين بالك MEMS مي باشد اين تكنيك ها براي سيلكون بر ساختارهاي عايق، گاليوم آرسنايد روي سيستم هاي آلومينيوم گاليوم، كاربيد سيلكون برسيليكون، نيتريد آلومينوم بر سيليكون، لايه هاي الماس نانو بلوري و لايه هاي نيتريد سيلكون نامنظم بكار گرفته مي شود. اكثر اين مواد با درجه خلوص زياد وجود دارد كه با كنترل دقيق ضخامت لايه اي رشد كرده اند.
اين قسمت دوم (كيفيت كنترل لايه اي) كنترل ابعادي در بعد عمودي در سطح تك لايه اي را كنترل مي كند. اين مقوله كاملا منطبق با دقت ابعادي جانبي ليتوگرافي پرتوالكتروني است كه به مقياس اتمي نزديك مي شود.
NEMS داراي ويژگي هاي چشمگيري مي باشد. آن ها دسترسي به فضاي پارامتري را كه غير پيش بيني است را فراهم مي كنند؛ فركانس هاي مقاومت تشديدي در ميكرويو، ضريب كيفيت مكانيكي در دهها هزار، توده هاي فعال در femtogram، ظرفيت گرمايي پايين تر از يوكتوكالري و …
اين ويژگي ها تصورات و سيل افكار براي تجربيات و آزمايشات هيجان انگيز را بوجود مي آورد و در عين حال تعداد زيادي سؤالات غيرقابل پيش بيني و نگرهايي هاي بيشماري را نيز بدنبال دارد از جمله اين سؤالات: چگونه مبدل ها در مقياس نانو مشخص مي شوند؟ چگونه ويژگي هاي سطحي كنترل مي گردد؟ ويژگي هاي پارامتر NEMS با هر اندازه و مقياسي گسترده مي باشند. كساني كه مي خواهند نسل بعدي NEMS را توسعه دهند بايد به سمت آخرين كشفيات فيزيك و علوم مهندسي در جهات مختلف سوق بيابند. اين بازنگري در چهار قسمت اصلي ذكر شده است. در دو بخش بعدي ما سعي مي كنيم يك معرفي متعادل از NEMS را ارائه دهيم. ما نه تنها ويژگي هاي جالب و مورد توجه NEMS را مورد بحث و بررسي قرار مي دهيم بلكه يك مرور كلي بر چالش هاي اساسي و تكنولوژيكي را ارائه خواهيم داد.
همچنان كه به بخش هاي بعدي نزديك مي شويم، معلوم مي شود كه كدام يك از اين چالش ها از طريق مهندسي سيستماتيك قابل بحث و بررسي است. در بخش چهارم اين تحقيق، يكي از كاربردهاي ضروري NEMS را كه آشكارسازي نانوالكترومكانيك فراحسي مي باشد تحت مطالعه قرار مي دهيم. در بخش پنجم پروژه ها را ارائه خواهيم داد.
يك سيستم نانو الكترومكانيك (NEMS) از يك تشديدگر مكانيكي با درجه بندي نانومتر –به- ميكرومتر تشكيل مي شود كه به يك ابزار الكترونيك داراي ابعاد قابل قياس مزدوج مي شود ، تشديدگر مكانيكي مي تواند يك شكل هندسي ساده داشته باشد مثل يك طرّه يا يك پل و از موادي مثل سيليكون با استفاده از تكنيك هاي ليتوگرافي مشابه به نمونه هاي به كار رفته براي ساختن مدارهاي تركيبي ساخته مي شوند. به خاطر اندازه ميكروشان، تشديدگرهاي مكانيكي مي توانند با فركانس هايي در محدوده چند مگاهرتز تا حدود يك گيگا هرتز نوسان داشته باشند. ما به طور نرمال، به ايده نوسان سيستم هاي مكانيكي در چنين فركانس هاي راديويي – به- ميكروويو، عادت نمي كنيم.
اتصال به ابزار الكترونيك به شيوه الكترو استاتيكي بومي با بكار گيري يك ولتاژ به يك لايه فلزي گذاشته شده روي سطح تشديدگر مكانيكي انجام مي شود. يك نمونه از يك ابزار الكترونيك تزويجي، يك ترانزيستورتك الكتروني (SET) است كه در شكل 1 نشان داده شده است. كوانتوم الكترون ها، هر كدام در يك زمان از عرض ترانزيستور از الكترود درين به الكترود سورس كه توسط يك ولتاژ درين- سورس Vds تحريك مي شود تشكيل كانال مي دهند.
بزرگي كانال دردرين به ولتاژ اعمال شده به الكترود گيت سوم (ولتاژ گيت ) بستگي دارد. چون تشديدگر مكانيكي بخشي از الكترود گيت را تشكيل مي دهد، حركت تشديدگر ولتاژ گيت را تغيير مي دهد و از اين رو جريان كانال درين سورس بعد از تقويت آشكار مي گردد؟
با فركانس هاي بالا و جرم هاي اينرسي كوچك تشديدگرهاي نانومكانيكي همراه با قابليت هاي شناسايي جابجايي مكانيكي فراحساس ابزارهاي الكترونيك مكانيكي،به نظر مي رسد NEMS گرايش زيادي به مترولوژي نشان مي دهد.
يك زمينه كاربرد ممكن، ميكروسكوپ نيرو است كه در آن نوك پايه روي يك سطح را جاروب مي كند و جابجايي هاي پايه با حركت نوك پايه روي سطح اندازه گيري مي شوند و يك نقشه توپوگرافي نيرو را ايجاد مي كنند. ميكروسكوپ نيروي تشديد مغناطيسي (MRFM) مزيت خاصي دارد كه يك نوك پايه فرومغناطيسي را بكار برده و نقشه برداري از الكترون جفت نشده و چگالي هاي چرخش هسته اي در سطح و زير سطح انجام مي شود. اخيراًٌ ، حساسيت هاي آشكار سازي چرخش تك الكترون بدست آمده است [12و11]، كاربردهاي بالقوه در تعیین خصوصيات در سطح تك مولكولي يا اتمي، زياد هستند و با كاربرد ابزارهاي MRFM و NEMS طراحي شده مناسب كوچكتر، فركانس هاي مكانيكي بالاتر ممكن است منجر به زمان هاي بازخواني سريعتر در ميزان حساسيت هاي معادل يا بهتر شوند.
کاربرد دیگر، حس كننده جرم است که در آن ذرات كوچك جرم مستقل به تشديدگر نانومكانيكي از تغيير فركانس ارتعاشي، تعيين مي شوند. اخیراً، میزان حساسیت شناسایی اتوگرام ( 10=اتو ) به دست آمده است[14و13].
با کاربرد فرکانس طراحی شده مناسب بالاتر NEMS ، شناسایی مولکولهای انفرادی در حساسیت های تك دالتونی ممکن است.( يك دالتون برابراست با و 12/1 ماده در يك c12 اتم)
NEMS در جای خود به عنوان سیستم های دینامیک مهم جالب است. به خاطر جرم اينرسي تشدیدگر نانو مکانیکي و اتصال الكترو استاتيكي قوی به ابزار الکترونیک ترکیبی دقیق حاصل شده، الکترون های انفرادی که در ابزار الکترونیک حرکت می کنند می توانند نیروهای جابجایی بزرگی به تشدیدگر مکانیکی وارد کنند.
شکل a .1) تصویری که عملیات آشکار ساز جابجایی SET را نشان می دهد. سطوح انرژی باردار مشخص هزینه انرژی ناشی از تغییردرانرژی میدان الکتریکی ذخیره شده به صورت یک یا چند الکترون را نشان می دهد که برسطح داخلی تونل سازی می شود و گسستگی سطوح اثر کوانتومی نیست بلکه هزینه افزایش انرژی در قراردادن فزاینده تعداد الکترون های روی سطح در همان زمان استb) ریزنگار میکروسکوپ الکترون پویشی (SEM) رنگی کاذب دو پرتو کنار هممعلق و SEM را نشان می دهد. ماده اصلی و پرتو از GaAs (مناطق آبی) می باشد و الکترودهای گیت پرتو و SET لایه های نازک آلومینیوم (منطقه زرد) با اکسید آلومینیم است که مانع های تونل را تشکیل می دهد. پرتو 0/25 µm دور از سطح الکترود قرار دارد . فرکانس موجی بنیادی سنجیده شده برای حرکت در سطحMHZ 116 است.
در عوض، حرکت تشدیدگر روی جریان الکترون و … تأثیر می گذارد. در دماهاي بالا، ابزار الکترونیکی خاص می توانند به یک شیوه منطقي کوانتومي رفتار کنند که دریک مکان کوانتومي دارای موقعیت های متفاوت، هنگامی که الکترونها از طريق قطعه انتقال می یابند،