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

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Рис 130. Диэлектрофорезный наномотор

Наномотор на эффекте поверхностного натяжения

Физики из США построили первый наноэлектромехани ческий актюатор, который использует эффекты поверхностно го натяжения. Он состоит из двух капель жидкого металла на поверхности углеродных нанотрубок и приводится в движение слабым электромагнитным полем. Алекс Зеттл считает, что но вый наномотор послужит приводным устройством для различ ных НЭМС.

Поверхностное натяжение играет большую роль в нанораз мерном диапазоне. Уже в микронных масштабах оно играет до минирующую роль, по сравению с другими силами. Вот почему, например, некоторые насекомые могут ходить по поверхности воды. Слабое электромагнитное поле может изменять поверх ностное натяжение капель жидкости, и это применяется в та ких устройствах, как струйные принтеры. Но до сих пор эту си лу не рассматривали в качестве движущей.

Актюатор состоит из “большой” капли жидкого индия ди аметром 90 нм и “маленькой” диаметром 30 нм. Электричес кий ток, протекающий по нанотрубке, вызывает миграцию отдельных атомов капель вдоль нанотрубки от капли I к капле II (направление показано малень кой стрелкой). Радиус маленькой капли II увеличивается быстрее, чем уменьша ется радиус капли I. Процесс длится до тех пор, пока капли не соприкасаются друг с другом. Силы поверхностного на

Рис 131. Наномотор на основе тяжения заставляют капли поменяться

поверхностного натяжения

местами, используя созданный касанием

218

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

гидродинамический канал. Затем цикл повторяется. Частота пе ремещения капель зависит от величины постоянного напряже ния, приложенного к нанотрубке.

В работающем наномоторе цикл обмена каплями протека ет за 200 пикосекунд при напряжении в 1.3 В.

Наномотор на основе нанотрубок и золотых электродов

В университете Беркли (Калифорния) сконструирован действующий электростатический наномотор размером в 500 нм. Ротор мотора изготовлен из золота и зак реплен на многослойной нанотрубке.

Две нанотрубки, вставленные мень шая в большую, образуют подшип

ник. Толщина ротора – 5 10 нм. Два

Рис 132. Наномотор на основе

заряженных статора, также изготов золотых электродов и нанотрубок ленных из золота, расположены на кремниевой поверхности. Примерная скорость вращения такого наномотора около 30 оборотов в секунду.

Ротор на основе нанотрубки

Корейский университет плани рует в течение 7 лет создать насос и актюатор на основе вложенных на нотрубок. При вращении одной на нотрубки внутри другой сила тре ния ничтожно мала, а трение на по верхности нанотрубки в газовом по токе велико. Используя разницу в

силах трения, можно заставить вращаться внешнюю нано трубку, воздействуя на нее газом. Если внутренний слой мно гослойной нанотрубки провернуть, она воз вращается в преж нее положение благодаря электростатике. При этом она дви жется маятникообразно с частотой несколько МГц, что позво лит сделать насос, нагнетающий в другую нанотрубку газ, зас тавляя ее вращаться.

Туннельный электростатический наномотор Дрекслера

Этот проект описан в книге Дрекслера “Наносистемы”. Мотор состоит из двух электродов статора: положительного и

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

отрицательного, и диэлектрического ротора, в который вклю чен ряд нанопроводников электродов.

Электроды статора имеют две различные поверхности: с высокой и низкой работой выхода электродов. При подаче нап ряжения на электроды статора нанопроводники ротора заряжа ются через туннельные промежутки, причем неодинаково из за разной работы выхода электронов с поверхностей. Взаимодей ствие неоднородного распределенного по ротору заряда с электрическим полем статора вызывает вращение наномотора.

Рис 144 Туннельный электростатическийо наномотор

Для мотора диаметром 25 нм Дрекслер рассчитал следую щие характеристики: напряжение питания 10В, ток статора 110 нА, скорость ротора 1000 м/с. При этом наномотор потреблял бы мощность около 1,1мВт. Плотность мощности составляла бы величину, больше чем 1015 Вт/м3, что сравнимо с плот ностью мощности макроскопических электромоторов.

В заключение этой главы отметим, что сегодня темпы роста мировых продаж изделий MEMS ежегодно удваиваются, что ста вит эту отрасль в один ряд с так называемыми “критическими” технологиями, определяющими уровень развития экономики.

Итак, повторим еще раз!

Стремительный прогресс науки и техники во второй половине ХХ века во многом объясняется созданием и совер шенствованием полупроводниковых транзисторов основы современной электроники.

220

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

В зависимости от способности пропускать ток все веще ства делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Характерной чертой полупроводников является их за висимость от внешних воздействий. Целенаправленно меняя температуру полупроводникового кристалла или внося в него примеси, можно эффективно управлять его физическими свойствами, в том числе и электропроводностью.

Электропроводность полупроводников бывает двух ти

пов:

Собственная – возникает при нагревании вещества. Тепло вое движение разрывает межатомные связи, образуя "дырки", которые вызывают движение электронов, стремящихся запол нить разорванные связи. Ток идет пока дырки и электроны не рекомбинируют. Собственный полупроводник имеет равные концентрации электронов и дырок (n=p).

Примесная – объясняется наличием в полупроводнике примесей с лишними (донорные), или недостающими (акцеп торные) электронами. Полупроводник с донорной примесью относится к n*типу (n>p), а с акцепторной к p*типу (n<p).

Полупроводниковые приборы основаны на электрон но дырочных переходах. P*n переход – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости. На p n переходах построены диоды и транзисторы.

Микропроцессор состоит из миллионов транзисторов, оперирующих электрическими импульсами, символизирую щими нулями и единицы. Cоединяя несколько транзисторов, можно получить все базовые логические схемы, необходимые для работы микропроцессора: "И", "ИЛИ", "НЕ" и другие.

Интегральная микросхема (ИС) – это система микрос копических устройств (диодов, транзисторов, проводников и т.п.) на одной подложке. Другое популярное название микрос хемы микрочип..

Микросхемы представляют собой плоские пластины, поэтому технология их создания называется планарной. Ее ос нову составляет литография способ формирования заданно го рисунка (рельефа) в слое полупроводника.

Процесс изготовления микросхем включает несколько технологических этапов: очистка, оксидирование, литография, травление, диффузия, осаждение и металлизация.

Долгое время основными материалами микроэлектро ники считались кремний, служащий основой для создания ИС, и медь, используемая в качестве токопроводящих дорожек

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

и контактов. Однако в последнее время все большую популяр ность завоевывают так называемые проводящие полимеры, отк рытые в конце ХХ века. Благодаря дешевизне производства та кие полимеры находят все больше применений в электронике.

Чем больше транзисторов можно поместить на единице площади, тем выше быстродействие компьютера. Поэтому для дальнейшего развития микропроцессорной техники неизбе жен переход к наноэлектронике, МЭМС, и НЭМС.

МЭМС (микроэлектромеханические систеы) представ ляют собой трехмерные микрообъекты и микромашины: мото ры, насосы, турбины, микророботы, микродатчики или целые аналитические микролаборатории, выполненные на единой кремниевой подложке. Размеры таких устройств могут быть меньше спичечной головки.

МЭМС находят большую область приложений. В част ности, на их основе создаются такие уникальные устройства, как "электронный нос", "электронный язык", "умная пыль", "видеоочки" и множество других.

Дальнейшее развитие нанотехнологий, МЭМС и НЭМС устройств невозможно без эффективных наноразмер ных двигателей. В настоящее время разрабатываться большое количество как молекулярных, так и механических различных проектов наномоторов (наноактюаторов).

222