Лекция13 Наномашины и наноприборы

Микроэлектромеханические системы (МЭМС)

Наноэлектромеханические системы(НЭМС).Молекулярные и супрамолекулярные переключатели

Материалы и технологии будущего: «Умные» материалы, Бионические и самособирающиеся материалы, «Умные» материалы.

Заключение.

Перспективы наноматериалов, наноструктур и нанотехнологий.

Нанотехнологии – ключевые технологии в технологической революции XXI-века и образование шестого технологического уклада.

Микроэлектромеханические системы (МЭМС)

Микроэлектромеханические системы (МЭМС) – наиболее интенсивно развивающийся сектор современной электроники, называемый микроэлектромеханика, который занимается созданием устройств для преобразования электрической энергии в механическое движение.

Отличие механического поведения машин в макро и наномире.

1.В наномасштабных объектах отношение площади поверхности к объему детали много больше, чем у устройств макромира, и чисто поверхностные эффекты (например, трение) становятся значительными.

2. В микро и наномире на механическое поведение детали можно существенно повлиять, изменив тонкий слой материала на её поверхности.

3.Молекулярные силы притяжения между нанообъектами могут превышать упругие силы отталкивания(возникает прилипание).

4. Электростатическая сила превышает электромагнитную силу на микроразмерах и в наноразмерах становится подавляющей.

Пример1 МЕМС –датчик, для активации воздушных подушек безопасности в автомобилях.

На рис а) изображено исходное состояние устройства, которое состоит из горизонтальной кремниевой балочки, длиной несколько микрон, прикрепленной к двум вертикальным полым стойкам, имеющие гибкие стенки. Когда автомобиль, движущийся слева направо сталкивается, горизонтальная балочка продолжает двигаться по инерции вправо, что вызывает изменение зазора между пластинами конденсатора см рис б). Это меняет электроемкость конденсатора, который инициирует импульс электрического тока через нагревательную спираль, помещенную в капсуле с азидом натрия . Мгновенное нагревание приводит к взрывообразному разложению содержимого капсулы

.

Выделяющийся газ азот надувает подушку безопасности.

Пример 2 Чувствительный детектор постоянных магнитных полей содержит кантиливер-закрепленную с одной стороны консольную балочку субмикронных размеров способную колебаться под действием механического, магнитного или теплового возбуждения. Одна из поверхностей балочки покрыта материалом с хорошими магнитострикционными свойствами. При помещении в магнитное поле материал покрытия меняет свои размеры, что приводит к изгибу кантеливера и изменению резонансной частоты его колебаний. Нанокантиливеры имеют высокие значения добротности Q=10⁵ и низкий уровень термомеханических шумов. Мощности в 10^-12 Вт достаточно для работы НЭМС-прибора с низким отношением сигнал/шум.

Наноэлектромеханические системы (НЭМС)

Наноэлектромеханические системы (НЭМС)- это направление в рамках развития программ работ по нанотехнологии и микроэлектронике под названием «наноэлектромеханика», продолжение МЕМС в нанообласть.

К настоящему времени выделяются

1.Устройства, в которых перемещение фиксированной массы находится в зависимости от напряжения, поступающего от микросхемы, например, в стабилизаторах частоты.

2.Устройства, в которых микросхемы регистрируют перемещение фиксированной массы, инерционное устройства(например. акселерометры).

3.Устройства, в которых величина перемещаемой массы определяется внешними факторами, например, в датчиках газового состава.

4. Устройства, в которых при электромеханическом преобразовании энергии возникают механические силы, используемые для совершения работы в пределах корпуса микросхемы механической работы(нанодвигатели, наноактюаторы, (НЭМС-фильтры).

Наиболее простые, базовые элементы НЭМС-наноконсоли и нанобалки, которые являются механическими микрорезонаторами. Они имеют нанометровые размеры с различными возможными конфигурациями, создаваемыми в основном из монокристалла кремния. Более сложные конструкции это мембраны круглые или прямоугольные.

Кремний обладает высоким механическими параметрами, модуль Юнга=3 10 ¹¹ Н/м, прочность на изгиб и разрыв. В настоящее время кремний является базовым материалом для МЭМС и НЭМС. Однако при изготовлении микро и наноконсолей используются карбиды и нитриды SiC, Si₃N₄, AlN и др.

Характерные размеры нановибраторов (наноконсолей и нанобалок) будут находится в следующем диапазоне: толщина 10-50 нм, длина =10-1000 нм, ширина 20-100 нм.

Движущей силой перехода на новый масштаб выполнения МЕМС является перспектива получения новых функциональных возможностей приборов или возможность значительного качественного улучшения уже достигнутых на технологии МЕМС характеристик.

Масштабным применением нанорезонаторов является использование их как считывающих элементов для регистрации присутствия и изменения нанообъемов концентраций химических элементов, токсических веществ, включая взрывчатых веществ.

Задачей наноэлектромеханики является построение наноманипуляторов, способных оперировать отдельными молекулами и атомами. В настоящее время для этих целей применяют атомно-силовые сканирующие туннельные микроскопы, которые недостаточно эффективны в управлении. Инструментом таких наноманипуляторов могут быть наноконсоли выступающие в роли нанопинцетов, которые могут перемещать отдельные молекулы и синтезировать новые органические наноструктуры.

Актуаторы – устройства, преобразующие электрическую энергию в механическую и наоборот. Пример: актуатор состоящий из двух листов однослойных нанотрубок, удерживаемых вместе двухсторонним скотчем. См рис. Изолирующий пластиковый зажим скреплял листы сверху и фиксировал электрические контакты. Листы помещали в электролит из одномолярного раствора NaCl. Несколько вольт приложенного напряжения изгибает лист, т.к. углеродные нанотрубки деформируются под действием сообщенного им электрического заряда. Переменное напряжение вызывает колебание такого кантиливера.

Этот опыт показывает, что возможно создание наноразмерных актуаторов, использующих всего три однослойных углеродных нанотрубки: две внешние должны быть металлическими, внутренняя нанотрубка - изолирующая. Они должны быть выставлены параллельно и находится в плотном контакте.