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Sistemas nanoelectromecánicos

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Imagen del chip (tras la metalización/eliminación de las interconexiones del circuito integrado) del chip digital del SiTime SiT8008, un oscilador programable que alcanza la precisión del cuarzo con alta fiabilidad y baja sensibilidad a la aceleración. Los transistores y componentes mecánicos a nanoescala (en un chip separado) están integrados en el mismo encapsulado. [ 1 ]

Los sistemas nanoelectromecánicos ( NEMS ) son una clase de dispositivos que integran funcionalidad eléctrica y mecánica a nanoescala . Los NEMS representan el siguiente paso lógico en la miniaturización a partir de los llamados sistemas microelectromecánicos (MEMS). Los NEMS suelen integrar nanoelectrónica tipo transistor con actuadores mecánicos , bombas o motores, y pueden formar sensores físicos, biológicos y químicos . El nombre deriva de las dimensiones típicas del dispositivo en el rango de los nanómetros , lo que da lugar a una masa baja, altas frecuencias de resonancia mecánica, posibles grandes efectos cuánticos como el movimiento de punto cero y una alta relación superficie-volumen útil para mecanismos de detección basados ​​en superficies. [ 2 ] Las aplicaciones incluyen acelerómetros y sensores para detectar sustancias químicas en el aire.

Historia

Fondo

Como señaló Richard Feynman en su famosa charla de 1959, " Hay mucho espacio en la parte inferior ", existen numerosas aplicaciones potenciales para máquinas de tamaño cada vez menor; al construir y controlar dispositivos a menor escala, se obtienen todos los beneficios tecnológicos. Entre los beneficios esperados se incluyen una mayor eficiencia y un tamaño reducido, un menor consumo de energía y menores costos de producción en sistemas electromecánicos. [ 2 ]

Los primeros transistores de efecto de campo de dióxido de silicio fueron construidos por Frosch y Derick en 1957 en Bell Labs. [ 3 ] En 1960, Atalla y Kahng en Bell Labs fabricaron un MOSFET con un espesor de óxido de puerta de 100 nm . [ 4 ] En 1962, Atalla y Kahng fabricaron un transistor de unión metal-semiconductor (unión M-S) de base de nanocapa que utilizaba películas delgadas de oro (Au) con un espesor de 10 nm . [ 5 ] En 1987, Bijan Davari dirigió un equipo de investigación de IBM que demostró el primer MOSFET con un espesor de óxido de 10 nm. [ 6 ] Los MOSFET de múltiples puertas permitieron la escalabilidad por debajo de la longitud del canal de 20 nm , comenzando con el FinFET . [ 7 ] El FinFET se originó a partir de la investigación de Digh Hisamoto en el Laboratorio Central de Investigación de Hitachi en 1989. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] En UC Berkeley , un grupo liderado por Hisamoto y Chenming Hu de TSMC fabricó dispositivos FinFET con una longitud de canal de hasta 17 nm en 1998. [ 7 ]    

NEMS

En 2000, investigadores de IBM demostraron el primer dispositivo NEMS de integración a muy gran escala (VLSI). Su premisa era una matriz de puntas de AFM que podían calentar/detectar un sustrato deformable para funcionar como un dispositivo de memoria ( memoria Millipede ). [ 12 ] Stefan de Haan describió otros dispositivos. [ 13 ] En 2007, la Hoja de Ruta Técnica Internacional para Semiconductores (ITRS) [ 14 ] incluyó la memoria NEMS como una nueva entrada en la sección de Dispositivos de Investigación Emergentes.

Microscopía de fuerza atómica

Una aplicación clave de NEMS son las puntas de microscopio de fuerza atómica . La mayor sensibilidad que se logra con NEMS permite obtener sensores más pequeños y eficientes para detectar tensiones, vibraciones, fuerzas a nivel atómico y señales químicas. [ 15 ] Las puntas de AFM y otros sistemas de detección a nanoescala dependen en gran medida de NEMS.

Enfoques para la miniaturización

Se pueden encontrar dos enfoques complementarios para la fabricación de NEMS: el enfoque descendente y el enfoque ascendente.

El enfoque descendente utiliza métodos de microfabricación tradicionales , como la litografía óptica , la litografía por haz de electrones y los tratamientos térmicos, para fabricar dispositivos. Si bien está limitado por la resolución de estos métodos, permite un alto grado de control sobre las estructuras resultantes. De esta manera, se fabrican dispositivos como nanocables , nanobarras y nanoestructuras con patrones a partir de películas delgadas metálicas o capas semiconductoras grabadas . En los enfoques descendentes, el aumento de la relación superficie-volumen mejora la reactividad de los nanomateriales. [ 16 ]

En contraste, los enfoques ascendentes utilizan las propiedades químicas de moléculas individuales para inducir la autoorganización o el autoensamblaje de componentes monomoleculares en una conformación útil, o bien se basan en el ensamblaje posicional. Estos enfoques emplean los conceptos de autoensamblaje molecular y/o reconocimiento molecular . Esto permite la fabricación de estructuras mucho más pequeñas, aunque a menudo a costa de un control limitado del proceso de fabricación. Además, mientras que en el enfoque descendente se eliminan materiales residuales de la estructura original, en el enfoque ascendente se elimina o desperdicia una cantidad mínima de material. [ 16 ]

También se puede utilizar una combinación de estos enfoques, en la que las moléculas a nanoescala se integran en una estructura descendente. Un ejemplo de ello es el nanomotor de nanotubos de carbono .

Materiales

alótropos del carbono

Muchos de los materiales comúnmente utilizados para la tecnología NEMS han sido basados ​​en carbono , específicamente diamante , [ 17 ] [ 18 ] nanotubos de carbono y grafeno . Esto se debe principalmente a las útiles propiedades de los materiales basados ​​en carbono que satisfacen directamente las necesidades de los NEMS. Las propiedades mecánicas del carbono (como el alto módulo de Young ) son fundamentales para la estabilidad de los NEMS mientras que las conductividades metálicas y semiconductoras de los materiales basados ​​en carbono les permiten funcionar como transistores .

Tanto el grafeno como el diamante exhiben un alto módulo de Young, baja densidad, baja fricción, disipación mecánica extremadamente baja, [ 17 ] y gran área superficial. [ 19 ] [ 20 ] La baja fricción de los CNT permite cojinetes prácticamente sin fricción y, por lo tanto, ha sido una gran motivación para aplicaciones prácticas de los CNT como elementos constitutivos en NEMS, tales como nanomotores , interruptores y osciladores de alta frecuencia. [ 20 ] La resistencia física de los nanotubos de carbono y el grafeno permite que los materiales a base de carbono satisfagan demandas de tensión más altas, cuando los materiales comunes normalmente fallarían y, por lo tanto, respaldan aún más su uso como materiales principales en el desarrollo tecnológico de NEMS. [ 21 ]

Además de las ventajas mecánicas de los materiales a base de carbono, las propiedades eléctricas de los nanotubos de carbono y el grafeno permiten su uso en numerosos componentes eléctricos de los NEMS. Se han desarrollado nanotransistores tanto para nanotubos de carbono [ 22 ] como para grafeno [ 23 ] . Los transistores son uno de los componentes básicos de todos los dispositivos electrónicos, por lo que el desarrollo eficaz de transistores utilizables hace que tanto los nanotubos de carbono como el grafeno sean cruciales para los NEMS.

Los resonadores nanomecánicos suelen estar hechos de grafeno. A medida que los resonadores NEMS se reducen de tamaño, se observa una tendencia general a una disminución del factor de calidad en proporción inversa a la relación superficie/volumen. [ 24 ] Sin embargo, a pesar de este desafío, se ha demostrado experimentalmente que se puede alcanzar un factor de calidad de hasta 2400. [ 25 ]   El factor de calidad describe la pureza del tono de las vibraciones del resonador. Además, se ha predicho teóricamente que sujetar membranas de grafeno por todos los lados produce un aumento en los valores de calidad. Los NEMS de grafeno también pueden funcionar como sensores de masa, [ 26 ] fuerza, [ 27 ] y posición . [ 28 ]

nanotubos de carbono metálicos

Estructuras de bandas calculadas mediante la aproximación de enlace fuerte para nanotubos de carbono (6,0) ( zigzag , metálicos), nanotubos de carbono (10,2) (semiconductores) y nanotubos de carbono (10,10) (sillón, metálicos).

Los nanotubos de carbono (CNT) son alótropos del carbono con una nanoestructura cilíndrica. Se pueden considerar como grafeno enrollado . Al enrollarse en ángulos específicos y discretos (" quirales "), la combinación del ángulo de enrollamiento y el radio determina si el nanotubo tiene una banda prohibida (semiconductor) o no la tiene (metálico).

También se han propuesto nanotubos de carbono metálicos para interconexiones nanoelectrónicas , ya que pueden transportar altas densidades de corriente. [ 21 ] Esta es una propiedad útil, dado que los cables para transferir corriente son otro componente básico de cualquier sistema eléctrico. Los nanotubos de carbono se han utilizado tanto en NEMS que ya se han descubierto métodos para conectar nanotubos de carbono suspendidos a otras nanoestructuras. [ 29 ] Esto permite que los nanotubos de carbono formen sistemas nanoeléctricos complejos. Debido a que los productos basados ​​en carbono se pueden controlar adecuadamente y funcionan como interconexiones y transistores, sirven como material fundamental en los componentes eléctricos de los NEMS.

Interruptores NEMS basados ​​en nanotubos de carbono

Una desventaja importante de los interruptores MEMS sobre los interruptores NEMS son las velocidades de conmutación limitadas en el rango de microsegundos de los MEMS, lo que impide el rendimiento para aplicaciones de alta velocidad. Las limitaciones en la velocidad de conmutación y el voltaje de actuación pueden superarse reduciendo el tamaño de los dispositivos de la escala micro a la nanométrica. [ 30 ] Una comparación de los parámetros de rendimiento entre los interruptores NEMS basados ​​en nanotubos de carbono (CNT) con su contraparte CMOS reveló que los interruptores NEMS basados ​​en CNT mantuvieron el rendimiento a niveles más bajos de consumo de energía y tuvieron una corriente de fuga subumbral varios órdenes de magnitud menor que la de los interruptores CMOS. [ 31 ] Los NEMS basados ​​en CNT con estructuras de doble sujeción se están estudiando más a fondo como posibles soluciones para aplicaciones de memoria no volátil de puerta flotante. [ 32 ]

Dificultades

A pesar de todas las propiedades útiles de los nanotubos de carbono y el grafeno para la tecnología NEMS, ambos productos enfrentan varios obstáculos para su implementación. Uno de los principales problemas es la respuesta del carbono a los entornos de la vida real. Los nanotubos de carbono exhiben un gran cambio en las propiedades electrónicas cuando se exponen al oxígeno . [ 33 ] De manera similar, otros cambios en los atributos electrónicos y mecánicos de los materiales a base de carbono deben explorarse completamente antes de su implementación, especialmente debido a su gran área superficial que puede reaccionar fácilmente con los entornos circundantes. También se encontró que los nanotubos de carbono tienen conductividades variables, siendo metálicos o semiconductores dependiendo de su helicidad cuando se procesan. [ 34 ] Debido a esto, se debe dar un tratamiento especial a los nanotubos durante el procesamiento para asegurar que todos los nanotubos tengan conductividades apropiadas. El grafeno también tiene propiedades de conductividad eléctrica complejas en comparación con los semiconductores tradicionales porque carece de una banda prohibida de energía y esencialmente cambia todas las reglas de cómo se mueven los electrones a través de un dispositivo basado en grafeno. [ 23 ] Esto significa que las construcciones tradicionales de dispositivos electrónicos probablemente no funcionarán y se deberán diseñar arquitecturas completamente nuevas para estos nuevos dispositivos electrónicos.

Acelerómetro nanoelectromecánico

Las propiedades mecánicas y electrónicas del grafeno lo hacen idóneo para su integración en acelerómetros NEMS, como pequeños sensores y actuadores para sistemas de monitorización cardíaca y captura de movimiento móvil. El grosor a escala atómica del grafeno permite reducir el tamaño de los acelerómetros de micro a nanoescala manteniendo los niveles de sensibilidad requeridos por el sistema. [ 35 ]

Al suspender una masa de prueba de silicio sobre una cinta de grafeno de doble capa, se puede fabricar un transductor piezorresistivo y de masa-resorte a nanoescala con las capacidades de los transductores utilizados actualmente en los acelerómetros. La masa-resorte proporciona mayor precisión, y las propiedades piezorresistivas del grafeno convierten la deformación de la aceleración en señales eléctricas para el acelerómetro. La cinta de grafeno suspendida forma simultáneamente el transductor piezorresistivo y de resorte, lo que permite un uso eficiente del espacio y mejora el rendimiento de los acelerómetros NEMS. [ 36 ]

Polidimetilsiloxano (PDMS)

Los fallos derivados de la alta adhesión y fricción son motivo de preocupación para muchos NEMS. Estos dispositivos suelen utilizar silicio debido a las técnicas de micromecanizado bien caracterizadas; sin embargo, su rigidez intrínseca a menudo limita el funcionamiento de los dispositivos con partes móviles.

Un estudio realizado por investigadores de la Universidad Estatal de Ohio comparó los parámetros de adhesión y fricción de un silicio monocristalino con una capa de óxido nativo frente a un recubrimiento de PDMS. El PDMS es un elastómero de silicona que es altamente ajustable mecánicamente, químicamente inerte, térmicamente estable, permeable a los gases, transparente, no fluorescente, biocompatible y no tóxico. [ 37 ] Inherente a los polímeros, el módulo de Young del PDMS puede variar en dos órdenes de magnitud manipulando el grado de reticulación de las cadenas poliméricas, lo que lo convierte en un material viable en NEMS y aplicaciones biológicas. El PDMS puede formar un sellado hermético con el silicio y, por lo tanto, integrarse fácilmente en la tecnología NEMS, optimizando tanto las propiedades mecánicas como eléctricas. Los polímeros como el PDMS están comenzando a ganar atención en NEMS debido a su prototipado y fabricación relativamente económicos, simplificados y eficientes en tiempo. [ 37 ]

Se ha caracterizado que el tiempo de reposo se correlaciona directamente con la fuerza adhesiva, [ 38 ] y el aumento de la humedad relativa conduce a un aumento de las fuerzas adhesivas para polímeros hidrofílicos. Las mediciones del ángulo de contacto y los cálculos de la fuerza de Laplace respaldan la caracterización de la naturaleza hidrofóbica del PDMS, que como era de esperar corresponde con su independencia de la humedad relativa verificada experimentalmente. Las fuerzas adhesivas del PDMS también son independientes del tiempo de reposo, capaces de funcionar de manera versátil bajo diferentes condiciones de humedad relativa y poseen un coeficiente de fricción menor que el del silicio. Los recubrimientos de PDMS facilitan la mitigación de problemas de alta velocidad, como la prevención del deslizamiento. Por lo tanto, la fricción en las superficies de contacto permanece baja incluso a velocidades considerablemente altas. De hecho, a microescala, la fricción disminuye con el aumento de la velocidad. La hidrofobicidad y el bajo coeficiente de fricción del PDMS han dado lugar a su potencial para ser incorporado en experimentos NEMS que se realizan a diferentes humedades relativas y altas velocidades de deslizamiento relativas. [ 39 ]

Diafragma de sistemas nanoelectromecánicos piezorresistivos recubiertos de PDMS

El PDMS se utiliza frecuentemente en la tecnología NEMS. Por ejemplo, el recubrimiento de PDMS en un diafragma puede utilizarse para la detección de vapor de cloroformo. [ 40 ]

Investigadores de la Universidad Nacional de Singapur inventaron un diafragma de sistema nanoelectromecánico (NEM) recubierto de polidimetilsiloxano (PDMS) e incrustado con nanocables de silicio (SiNW) para detectar vapor de cloroformo a temperatura ambiente. En presencia de vapor de cloroformo, la película de PDMS sobre el microdiafragma absorbe las moléculas de vapor y, en consecuencia, se expande, provocando su deformación. Los SiNW implantados en el microdiafragma están conectados mediante un puente de Wheatstone , que traduce la deformación en una tensión de salida cuantitativa. Además, el sensor de microdiafragma demuestra un procesamiento de bajo coste y un bajo consumo energético. Posee un gran potencial de escalabilidad, un tamaño ultracompacto y compatibilidad con procesos CMOS - IC . Al cambiar la capa de polímero absorbente de vapor, se pueden aplicar métodos similares que, en teoría, deberían ser capaces de detectar otros vapores orgánicos.

Además de sus propiedades intrínsecas descritas en la sección de Materiales, el PDMS puede utilizarse para absorber cloroformo, cuyos efectos suelen estar asociados con la hinchazón y la deformación del microdiafragma; en este estudio también se evaluaron diversos vapores orgánicos. Con una buena estabilidad al envejecimiento y un embalaje adecuado, se puede ralentizar la tasa de degradación del PDMS en respuesta al calor, la luz y la radiación. [ 41 ]

NEMS biohíbrido

Un ribosoma es una máquina biológica que utiliza la dinámica de las proteínas a nanoescala.

El campo emergente de los sistemas biohíbridos combina elementos estructurales biológicos y sintéticos para aplicaciones biomédicas o robóticas. Los elementos constitutivos de los sistemas bionanoelectromecánicos (BioNEMS) son de tamaño nanométrico, por ejemplo, ADN, proteínas o piezas mecánicas nanoestructuradas. Algunos ejemplos incluyen la nanoestructuración descendente sencilla de polímeros tiol-eno para crear nanoestructuras reticuladas y mecánicamente robustas que posteriormente se funcionalizan con proteínas. [ 42 ]

Simulaciones

Las simulaciones por computadora han sido durante mucho tiempo importantes contrapartes de los estudios experimentales de dispositivos NEMS. A través de la mecánica de continuos y la dinámica molecular (MD), se pueden predecir comportamientos importantes de los dispositivos NEMS a través del modelado computacional antes de realizar experimentos. [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ] [ 46 ] Además, la combinación de técnicas de continuo y MD permite a los ingenieros analizar eficientemente la estabilidad de los dispositivos NEMS sin recurrir a mallas ultrafinas y simulaciones que consumen mucho tiempo. [ 43 ] Las simulaciones también tienen otras ventajas: no requieren el tiempo y la experiencia asociados con la fabricación de dispositivos NEMS; pueden predecir eficazmente los roles interrelacionados de varios efectos electromecánicos; y los estudios paramétricos se pueden realizar con bastante facilidad en comparación con los enfoques experimentales. Por ejemplo, los estudios computacionales han predicho las distribuciones de carga y las respuestas electromecánicas de "atracción" de los dispositivos NEMS. [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] El uso de simulaciones para predecir el comportamiento mecánico y eléctrico de estos dispositivos puede ayudar a optimizar los parámetros de diseño de los dispositivos NEMS.

Fiabilidad y ciclo de vida de los NEMS

Fiabilidad y desafíos

La fiabilidad proporciona una medida cuantitativa de la integridad y el rendimiento del componente sin fallos durante una vida útil específica del producto. Los fallos de los dispositivos NEMS pueden atribuirse a diversas causas, como factores mecánicos, eléctricos, químicos y térmicos. La identificación de los mecanismos de fallo, la mejora del rendimiento, la escasez de información y los problemas de reproducibilidad se han identificado como los principales desafíos para lograr mayores niveles de fiabilidad en los dispositivos NEMS. Estos desafíos surgen tanto durante las etapas de fabricación (es decir, procesamiento de obleas, encapsulado, ensamblaje final) como en las etapas posteriores a la fabricación (es decir, transporte, logística, uso). [ 50 ]

Embalaje

Los desafíos del empaquetado suelen representar entre el 75 % y el 95 % de los costos totales de los MEMS y NEMS. El diseño del empaquetado considera factores como el corte de la oblea, el grosor del dispositivo, la secuencia de liberación final, la expansión térmica, el aislamiento de la tensión mecánica, la disipación de potencia y calor, la minimización de la fluencia, el aislamiento del medio y los recubrimientos protectores para alinearse con el diseño del componente MEMS o NEMS. [ 51 ] Se han utilizado análisis de deslaminación, análisis de movimiento y pruebas de vida útil para evaluar técnicas de encapsulado a nivel de oblea, como la encapsulación de tapa a oblea, de oblea a oblea y de película delgada. Las técnicas de encapsulado a nivel de oblea pueden conducir a una mayor fiabilidad y un mayor rendimiento tanto para microdispositivos como para nanodispositivos. [ 52 ]

Fabricación

La evaluación de la fiabilidad de los NEMS en las primeras etapas del proceso de fabricación es esencial para mejorar el rendimiento. Las fuerzas superficiales, como la adhesión y las fuerzas electrostáticas, dependen en gran medida de la topografía de la superficie y la geometría de contacto. La fabricación selectiva de superficies nanotexturizadas reduce el área de contacto, mejorando tanto la adhesión como el rendimiento de fricción de los NEMS. [ 53 ] Además, la implementación de nanopostes en superficies diseñadas aumenta la hidrofobicidad, lo que conlleva una reducción tanto de la adhesión como de la fricción. [ 54 ]

La adhesión y la fricción también pueden manipularse mediante nanopatrones para ajustar la rugosidad superficial según las aplicaciones del dispositivo NEMS. Investigadores de la Universidad Estatal de Ohio utilizaron microscopía de fuerza atómica/de fricción (AFM/FFM) para examinar los efectos de los nanopatrones en la hidrofobicidad, la adhesión y la fricción de polímeros hidrofílicos con dos tipos de asperezas modeladas (baja relación de aspecto y alta relación de aspecto). Se observó que la rugosidad en superficies hidrofílicas y en superficies hidrofóbicas presentaba correlaciones inversas y directas, respectivamente. [ 24 ]

Debido a su gran relación superficie-volumen y sensibilidad, la adhesión y la fricción pueden afectar el rendimiento y la fiabilidad de los dispositivos NEMS. Estos problemas tribológicos surgen de la reducción natural de tamaño de estas herramientas; sin embargo, el sistema puede optimizarse mediante la manipulación del material estructural, las películas superficiales y el lubricante. En comparación con las películas de Si sin dopar o polisilicio, las películas de SiC presentan la menor fricción, lo que resulta en una mayor resistencia al rayado y una funcionalidad mejorada a altas temperaturas. Los recubrimientos duros de carbono tipo diamante (DLC) exhiben baja fricción, alta dureza y resistencia al desgaste, además de resistencias químicas y eléctricas. La rugosidad, un factor que reduce la humectación y aumenta la hidrofobicidad, puede optimizarse aumentando el ángulo de contacto para reducir la humectación y permitir una baja adhesión e interacción del dispositivo con su entorno. [ 55 ]

Las propiedades de los materiales dependen del tamaño. Por lo tanto, analizar las características únicas de los NEMS y los materiales a nanoescala se vuelve cada vez más importante para mantener la fiabilidad y la estabilidad a largo plazo de los dispositivos NEMS. [ 56 ] Algunas propiedades mecánicas, como la dureza, el módulo elástico y las pruebas de flexión, para los nanomateriales se determinan utilizando un nanoindentador en un material que ha sido sometido a procesos de fabricación. Sin embargo, estas mediciones no consideran cómo operará el dispositivo en la industria bajo tensiones y deformaciones prolongadas o cíclicas. La estructura theta es un modelo de NEMS que exhibe propiedades mecánicas únicas. Compuesta de Si, la estructura tiene alta resistencia y es capaz de concentrar tensiones a nanoescala para medir ciertas propiedades mecánicas de los materiales. [ 57 ]

tensiones residuales

Para aumentar la fiabilidad de la integridad estructural, la caracterización tanto de la estructura del material como de las tensiones intrínsecas a escalas de longitud adecuadas se vuelve cada vez más pertinente. [ 58 ] Los efectos de las tensiones residuales incluyen, entre otros, fractura, deformación, delaminación y cambios estructurales a nanoescala, que pueden provocar fallos en el funcionamiento y deterioro físico del dispositivo. [ 59 ]

Las tensiones residuales pueden influir en las propiedades eléctricas y ópticas. Por ejemplo, en diversas aplicaciones fotovoltaicas y de diodos emisores de luz (LED), la energía de la banda prohibida de los semiconductores puede ajustarse en consecuencia mediante los efectos de la tensión residual. [ 60 ]

La microscopía de fuerza atómica (AFM) y la espectroscopia Raman pueden utilizarse para caracterizar la distribución de tensiones residuales en películas delgadas en términos de imágenes de volumen de fuerza, topografía y curvas de fuerza. [ 61 ] Además, la tensión residual puede utilizarse para medir la temperatura de fusión de nanoestructuras mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC) y difracción de rayos X (XRD) dependiente de la temperatura. [ 60 ]

Futuro

Los principales obstáculos que actualmente impiden la aplicación comercial de muchos dispositivos NEMS incluyen bajos rendimientos y una alta variabilidad en la calidad de los dispositivos. Antes de que los dispositivos NEMS puedan implementarse, es necesario crear integraciones razonables de productos basados ​​en carbono. Recientemente se ha demostrado un avance en esa dirección con el diamante, alcanzando un nivel de procesamiento comparable al del silicio. [ 18 ] Actualmente, el enfoque se está desplazando del trabajo experimental hacia las aplicaciones prácticas y las estructuras de dispositivos que implementarán y aprovecharán estos nuevos dispositivos. [ 20 ] El siguiente desafío consiste en comprender todas las propiedades de estas herramientas basadas en carbono y utilizarlas para fabricar NEMS eficientes y duraderos con bajas tasas de fallo. [ 49 ]

Los materiales a base de carbono han sido los materiales principales para su uso en NEMS, debido a sus excepcionales propiedades mecánicas y eléctricas.

Recientemente, los nanocables de vidrios de calcogenuro han demostrado ser una plataforma clave para diseñar NEMS sintonizables debido a la disponibilidad de modulación activa del módulo de Young. [ 62 ]

Se prevé que el mercado global de NEMS alcance los 108,88 millones de dólares en 2022. [ 63 ]

Aplicaciones

Voladizos basados ​​en nanoelectromecánicos

Investigadores del Instituto Tecnológico de California desarrollaron una viga en voladizo basada en NEMS con resonancias mecánicas de hasta frecuencias muy altas (VHF). La incorporación de transductores de desplazamiento electrónicos basados ​​en una película metálica delgada piezorresistiva facilita una lectura inequívoca y eficiente del nanodispositivo. La funcionalización de la superficie del dispositivo mediante un recubrimiento de polímero delgado con un alto coeficiente de partición para la especie objetivo permite que las vigas en voladizo basadas en NEMS proporcionen mediciones de quimisorción a temperatura ambiente con una resolución de masa inferior a un attogramo . Se han aprovechado otras capacidades de las vigas en voladizo basadas en NEMS para aplicaciones de sensores, sondas de escaneo y dispositivos que operan a frecuencias muy altas (100 MHz). [ 64 ] 

Referencias

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