Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

Рис 114. Принцип действия механотранзистора

по плотности данных, чем современные электромагнитные системы. Вероятно, что механопамять обгонит по емкости даже те магнитные устройства, которые по нынешним технологиям изготовления приближаются к физическому пределу плотности информации для магнитных устройств.

Механопамять может работать, выполняя миллионы и миллиарды циклов в секунду. Моханти сказал, что механичес кие ключи новой памяти потребляют в миллион раз меньше энергии, чем их электронные аналоги.

Расскажем о создании одного из прототипов логических ячеек механопамяти. С помощью электронно лучевой литогра фии исследователи сделали «шаблон» для матрицы механичес ких ключей и вытравили их из монокристаллического слоя кремния, покрытого слоем оксида кремния.

Электронно лучевая литография уже давно используется МЭМС и нанотехнологами в качестве основного производ ственного инструмента. Она также является основным инструментом для производства микроэлектронных схем и ею пользуются при массовом производстве микросхем и процес соров. Так что для массового производства механопамяти не нужно будет использовать дополнительные устройства, вы

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

пуск готового продукта можно производить на уже имеющем ся оборудовании.

Одиночная ячейка памяти состоит из струны нанометро вых размеров, которая при воздействии на ее концы высоко частотного напряжения (с частотой в несколько мегагерц) из гибается. При определенной амплитуде напряжения струна принимает одно из конечных состояний (“1” или “0” соотв.), что как раз нужно для хранения информации.

Маленькие размеры устройства позволяют ему достичь вы сокочастотных вибраций (в опытах — до 23,57 МГц). Эта часто та отражает скорость чтения записанной информации. Для сравнения, винчестеры в современных ноутбуках характеризу ются скоростью считывания информации в несколько сот ки логерц.

Исследователи заверяют, что наномеханические ключи могут достичь скорости до миллиарда циклов в секунду. При этом их раз меры могут быть меньше тех, кото рые изготовлены экспериментально.

Другое преимущество наномеханики перед наноэлектро никой заключается в том, что диапазон вибрации наноструны составляет несколько ангстрем. Для вибрации в таком диапазо не устройство потребляет всего несколько фемтоватт электроэ нергии, в то время как современные ключи потребляют милли ватты. Механическая память также свободна от ограничений суперпарамагнитного эффекта, который определяет граничые размеры магнитной памяти.

Объединение принципов механических и электронных вы числений позволит создать гибридные механоэлектрические НЭМС транзисторы, которые работают по принципу переноса носителей заряда механическим путем.

Приведем один пример. В 2001 году профессор Роберт Блайк из Висконсина, США, представил рабочий электромеха нический маятник, который вибрировал в диапазоне радиочас тот и мог переносить отдельные электроны от одного электро да к другому при активации “механической руки” устройства

* Перепечатано с www.cmp.caltech.edu

194

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

(т.е. работать как транзистор). Установка Блайка изображена на рисунке 116.

В центре устройства – вибрирующий маятник, ко торый был назван Блайком “механической рукой”. Если между точками G1 и G2 при ложить переменное напря жение, то маятник будет ко лебаться с частотой, пропор циональной частоте пере менного напряжения. В ра бочем устройстве маятник ко

лебался с частотой в 100 МГц. Маятник C электрически изоли рован от электродов G1, G2, S и D и заземлен.

Электроды S и D представляют собой исток и сток транзис тора соответственно. Как только маятник касается электрода S, на его поверхность благодаря туннельному эффекту переносит ся один электрон, который затем передается с помощью коле баний маятника на электрод D. На схеме показан источник напряжения транзистора VSD и прибор, с помощью которого исследователи могли наблюдать за переносом электронов ISD.

Осциллятор исследователи изготовили из кремния по тех нологии SOI (silicon on insulator: слой кремния на слое изоля тора) в несколько этапов. Сначала с помощью электронно лу чевой литографии нанесли на кремниевую поверхность золо тую маску, которая повторяла геометрию устройства, а также алюминиевую маску травления (для тех участков, которые надо удалить). Далее был вытравлен механический маятник и его туннельные контакты (с точностью до 10 нм).

В обычных микроэлектронных транзисторах переносится около 100.000 электронов, чтобы обеспечить состояние 1 или 0. В новом электромеханическом транзисторе эту роль выполняет один электрон. Преимущества нового устройства – в отсутствии тепловых шумов, так как сток и исток физически разделены. Также уменьшится энергопотребление устройства, собранного на этих транзисторах.

* Перепечатано с www.cmp.caltech.edu

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Применение маятника в качестве переносчика электронов позволит транзистору работать в условиях повышенной радио активности, говорит Блайк. Поэтому одним из применений механотранзистора станет спутниковая электроника.

С помощью НЭМС также можно бу дет создать наноманипуляторы – устрой ства, способные выполнять управляемый механосинтез или просто перемещать от дельные молекулы. Над созданием по добного устройства сейчас работает ряд крупнейших компаний и лабораторий. Уже созданы проекты манипуляторов, нопока еще ни один из них не воплотил ся в реальность.

Многообразие вариантов и областей применения МЭМС и НЭМС ограничено только нашим вооб

ражением. Одним из эффективных приложений МЭМС техно логии сегодня являются датчики, или сенсоры.

Сенсоры

Развиваясь, человечество все больше стремится понять и освоить природные механизмы, тысячелетиями функциониру ющие в биологических организмах, в том числе и человечес ком. Иногда результатом таких попыток становится создание электронной техники, имитирующей работу органов чувств че ловека или животных.

В основе работы таких устройств лежат сенсоры, или датчи ки технические элементы, чувствительные к внешним воздей ствиям (от англ. “sense”– “чувствовать”).

Собственно говоря, сегодня подобные устройства вряд ли могут кого нибудь поразить: уже давно сенсоры встраиваются в автомобили, музыкальные центры, холодильники и другие бы товые приборы. Датчики широко используются в охранных системах, системах контроля над глобальными катаклизмами (например, сейсмодатчики, способные заблаговременно пре дупредить людей о надвигающемся землетрясении по малей шим колебаниям), системах противопожарной безопасности, медицине.

Большой популярностью сегодня пользуются ультразвуко* вые сенсоры. По принципу работы они напоминают маленький

196

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

локатор. Волны, исходящие от них, проникают в любой затаен ный уголок помещения, и малейшее изменение геометрии ком наты (например, появление нежданных гостей с мешком для денег) приводит к срабатыванию сигнализации.

Похожий принцип действия и у инфракрасных датчиков, срабатывающих в момент попадания движущегося объекта, из лучающего тепло (например, человека или собаки), в зону чувствительности датчика.

Пьезоэлектрический сенсор предназначен для обнаружения механических воздействий на отдельные предметы и использу ется при охране сейфов, музейных экспонатов и т.д. Такой сен сор представляет собой МЭМС устройство, способное обнару жить смещение вплоть до 1 микрона. В основе работы сенсора лежит пьезоэлектрический эффект, суть которого подробно из лагалась в первой главе при описании пьезомеханического ма нипулятора, обеспечивающего перемещение зонда сканирую щего микроскопа.

Весьма популярны также газовые сенсоры, суть работы кото рых заключается в анализе воздуха, попадающего в сенсор че рез полупроницаемую мембрану. Молекулы газа вступают в ре акцию с электролитом у измерительного электрода. В результа те реакции генерируется электрический ток, по измерению ко торого можно судить о наличии тех или иных веществ в атмос фере. Такие устройства позволяют определять утечку газов и проверять состояние атмосферы на предмет наличия токсич ных веществ, взрывоопасного водорода и т.п.

Наносенсоры – это чувствительные элементы, действие ко торых основано на наномасштабных эффектах. Сегодня нано сенсоры находят широкое применение в контроле над состоя нием сложных систем, бытовой технике и в биомедицине.

Рассмотрим, как с помощью НЭМС систем построить на норецептор, который смог бы отделять молекулы только одно го типа. И как сделать перепрограммируемый рецептор, кото рый отбирал бы только те молекулы, описание которых в дан ный момент передает центральный компьютер.

Можно ли гарантировать чистоту отбора? На все эти вопро сы можно ответить с помощью математического моделирова ния нанорецепторов и наноструктур. Классический наноре цептор, названный Молекулярным Сортирующим Ротором (далее МСР), предложен Эриком Дрекслером.