Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 19 – vyšlo 22. května, ročník 13 (2015) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

19/2015

Nanoelektromechanické systémy

Petr Panchártek, Jan Jílek

Nanoelektromechanické systémy (NEMS) jsou třídou zařízení, která integrují elektrické a mechanické funkce v měřítku řádu nanometrů. NEMS jsou dalším miniaturizačním krokem navazujícím na tzv. mikroelektromechanické systémy (MEMSMEMS – mikro-elektro-mechanické systémy, technologie ve výrobě součástek umožňující realizovat kromě vrstevnatých struktur běžných v mikroelektronice také miniaturní, mechanicky se pohybující části. Technologie využívá výrobní procesy používané pro výrobu integrovaných obvodů (fotolitografii, leptání, epitaxi atd.). Systém obsahuje elektronickou část (např. A/D převodník) a mechanické komponenty (např. malý objekt na pružině), které jsou často umístěny na jednom substrátu a uzavřeny v pouzdře, takže se uživateli jeví jako jediná součástka – například akcelerometr, gyroskop, senzor tlaku atd.). NEMS obsahují tranzistory, mechanické aktuátoryAktuátor – elektrostatický nebo hydraulický prvek. Takové prvky se využívají jak v nanotechnologiích, tak v klasických technologiích. V nanotechnologiích převádí prvek zaslanou informaci na mechanickou akci. V makrosvětě jde například o systém aktivní optiky – pod zrcadlem je sada aktuátorů, která kompenzuje jeho tvarové změny v závislosti na řídícím signálu. Podmínkou je, aby změny tvaru zrcadla probíhaly s vyšší frekvencí než změny v obrazu, který je korigován., čerpadla nebo motory a mohou fungovat jako fyzikální, biologické a chemické senzory. Název zařízení vychází z jejich typických rozměrů v řádu nanometrů. Tyto malé rozměry vedou k nízké hmotnosti a vysoké mechanické rezonanční frekvenci. Součástky se už výrazněji chovají podle zákonů kvantové mechaniky a mají velký poměr povrchu k objemu, což je vhodné pro vytvoření povrchových snímacích mechanizmů, například pro detektory chemických látek v ovzduší. Jinou hojně využívanou aplikací NEMS jsou citlivé miniaturní akcelerometryAkcelerometr – zařízení pro měření zrychlení..

Dvoustěnná uhlíková nanotrubička, která byla použita k měření hmotnosti jediného atomu zlata. Atomy přistávají na trubičce a mění její rezonanční frekvenci v závislosti na své hmotnosti. Je to podobné, jako když se potápěč odrazí od skokanského můstku [12].

AFM – Atomic Force Microscope, mikroskop atomárních sil, zařízení skenující povrch materiálu pomocí hrotu zavěšeného na pružném výkyvném raménku. Hrot je přitahován k povrchu elektrostatickými a van der Waalsovými silami. Sledování pohybu raménka (zpravidla laserem) umožní rekonstruovat třírozměrný obraz povrchu studovaného materiálu. Mikroskop je tak citlivý, že může sledovat jednotlivé atomy. AFM mikroskop byl vynalezen v roce 1986 Gerdem Binningem, Calvinem Quatem a Christophem Gerberem. Grafit – forma uhlíku s atomy tvořícími, podobně jako led, šestiúhelníkovou krystalovou mříž. Atomy v jedné rovině jsou propojeny v pravidelné šestiúhelníky do tvaru připomínajícího včelí plástve. Tyto roviny jsou pak řazeny nad sebou tak, že tři uzlové body (atomy) sousedních vrstev krystalové mříže jsou právě nad geometrickými středy šestiúhelníků sousední vrstvy a tři jsou v zákrytu. Vzdálenost mezi vrstvami je 0,336 nm, strana šestiúhelníku 0,2464 nm, hustota grafitu je 2,26 g/cm3. Diamant – forma uhlíku s plošně centrovanou kubickou (diamantovou) krystalovou mříží. Sousední vazby (tzv. σ vazby) svírají úhel 109°28′ a jejich délka je 0,154 nm.  Za normálních podmínek je teplota tání 3 500 °C, hustota 3,51 g/cm3 a index lomu n = 2,417. Je-li dotován kyslíkovými ionty, stane se polovodičem typu n. Grafen – jedna z mnoha forem uhlíku. Jde o atomární monovrstvu či dvojvrstvu složenou z pravidelných šestiúhelníků, která má mimořádnou pevnost a vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Má revoluční využití v elektro­tech­nice a jiných oborech. Grafen poprvé připravili v roce 2004 Andrej Geim a Konstantin Novoselov. Za svůj objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2010. Nanofyzika – obor fyziky, zabývající se vlastnostmi látky v nanometrových měřítcích. Spadá do fyziky pevných látek. O možnosti manipulovat s jednotlivými atomy v nanometrových měřítcích poprvé uvažoval Richard Feynman v roce 1959. Nanotechnologie – obor zabývající se aplikováním výsledků nanofyziky. Zkoumá možnosti, jak vytvářet zařízení molekulových rozměrů a jak manipulovat s jednotlivými atomy tak, aby se dosáhlo žádaných vlastností. Protože u zařízení vyrobených pomocí nanotechnologie můžeme jejich činnost předurčit polohou a druhem jednotlivých atomů, můžeme dosáhnout maximální účinnosti, efektivity a výkonu, při dodržení malých rozměrů. Nanovodiče – válcové vodivé prvky submikronových průměrů, tj. v desítkách či stovkách nanometrů.

„Tam dole je spousta místa“

Na možnosti nanosvěta jako první poukázal Richard P. Feynman, který svou vizi o nanotechnologiích nastínil v prosinci roku 1959 při příležitosti zasedání Americké fyzikální společnosti na Kalifornské technologické univerzitěCALTECH – California Institute of Technology, prestižní americká univerzita, která vznikla v roce 1921. Založil ji chemik Arthur A. Noyes spolu s významným fyzikem Robertem A. Millikanem. Předchůdcem byla Throopova univerzita z roku 1891. Univerzita sídlí v kalifornské Pasadeně. Univerzita zajišťuje provoz JPL (Jet Propulsion Laboratory) americké NASA, analyzuje data ze Spizerova vesmírného dalekohledu a spravuje hanfordskou část detektoru gravitačních vln LIGO.. Jeho slavná přednáška měla název „There's Plenty of Room at the Bottom“ (Tam dole je spousta místa) a pojednávala o možnostech praktického využití světa atomů v budoucnosti. Feynman diskutoval o možnostech, jak připravovat systémy o velmi malých rozměrech, jak využívat a měnit jejich vlastnosti a jaký přinesou technologický přínos. Systémy budoucnosti by měly mít malou velikost, vysokou účinnost, minimální spotřebu energie a nízké výrobní náklady.

Richard P. Feynman na své přednášce „There's Plenty of Room at the Bottom“ [4].

Význam mikroskopie atomárních sil (AFM)

Feynman se zajímal o to, jakým způsobem lze zlepšit rozlišovací schopnost elektronových mikroskopů. Vycházel z toho, že jednou najdeme nějakou fyzikální cestu, jak syntetizovat libovolnou chemickou látku.

Objevy skenovacího tunelového mikroskopu (STMSTM – Scanning Tunneling Microscope, rastrovací tunelový mikroskop, řadí se mezi mnoho druhů tzv. Scanning Probe Methods (SPM), rastrovacích metod za použití sondy. Zařízení založené na tunelovém jevu, umožňující zobrazit povrch pevné látky v rozlišení jednotlivých atomů. Povrch je doslova osaháván piezoelektricky vychylovaným wolframovým hrotem. Ve směru povrchu je jeho rozlišení řádově 10⁻¹⁰ m, v kolmém směru k povrchu je však rozlišení řádově lepší v důsledku velmi nelineární závislosti velikosti proudu na vzdálenosti od povrchu. Na špičce wolframového hrotu je v ideálním případě jediný atom, podle toho, jak se hrot podaří vyleptat. Je to nejostřejší hrot jaký dokážeme vyrobit, používá se také jako studená katoda u rastrovacích elektronových mikroskopů. Rastrovací tunelový mikroskop umožňuje nejenom zviditelnit polohu atomů na povrchu krystalové mříže, ale také je přenášet z místa na místo, když se pomocí přiloženého elektrického napětí překoná chemická vazba s povrchem a atom se hrotem mikroskopu přenese. ) a mikroskopu atomárních sil (AFMAFM – Atomic Force Microscope, mikroskop atomárních sil, zařízení skenující povrch materiálu pomocí hrotu zavěšeného na pružném výkyvném raménku. Hrot je přitahován k povrchu elektrostatickými a van der Waalsovými silami. Sledování pohybu raménka (zpravidla laserem) umožní rekonstruovat třírozměrný obraz povrchu studovaného materiálu. Mikroskop je tak citlivý, že může sledovat jednotlivé atomy. AFM mikroskop byl vynalezen v roce 1986 Gerdem Binningem, Calvinem Quatem a Christophem Gerberem.) ukázaly, že Feynmanova představa, že jednou nahlédneme do světa nanometrových rozměrů, byla správná (viz AB 27/2004).

Technologie NEMS fungují na velice malých rozměrech a lze očekávat, že významně ovlivní mnoho oblastí vědy a techniky a nakonec nahradí dnešní systémy MEMSMEMS – mikro-elektro-mechanické systémy, technologie ve výrobě součástek umožňující realizovat kromě vrstevnatých struktur běžných v mikroelektronice také miniaturní, mechanicky se pohybující části. Technologie využívá výrobní procesy používané pro výrobu integrovaných obvodů (fotolitografii, leptání, epitaxi atd.). Systém obsahuje elektronickou část (např. A/D převodník) a mechanické komponenty (např. malý objekt na pružině), které jsou často umístěny na jednom substrátu a uzavřeny v pouzdře, takže se uživateli jeví jako jediná součástka – například akcelerometr, gyroskop, senzor tlaku atd.. Klíčovými aplikacemi NEMS jsou právě hroty mikroskopů atomárních silAFM – Atomic Force Microscope, mikroskop atomárních sil, zařízení skenující povrch materiálu pomocí hrotu zavěšeného na pružném výkyvném raménku. Hrot je přitahován k povrchu elektrostatickými a van der Waalsovými silami. Sledování pohybu raménka (zpravidla laserem) umožní rekonstruovat třírozměrný obraz povrchu studovaného materiálu. Mikroskop je tak citlivý, že může sledovat jednotlivé atomy. AFM mikroskop byl vynalezen v roce 1986 Gerdem Binningem, Calvinem Quatem a Christophem Gerberem.. Menší a účinnější senzory umožňují vyšší citlivost dosahovanou technologií NEMS a vedou k detekci namáhání, vibrací a sil na atomární úrovni a k detekci chemických signálů. Hroty AFM a jiné nanometrové senzory spoléhají na technologii NEMS. Vývoj hrotů AFM umožňuje poznávat nanosvět a tato kladná zpětná vazba způsobuje další vývoj nanotechnologií.

Nalevo: Schematické znázornění nanoelektromechanického měniče na bázi jednostěnné uhlíkové nanotrubice, který je využit u mikroskopu AFM. Nanotrubice je elektricky spojena se dvěma elektrodami a mechanicky spojena s pružným raménkem AFM přemostěným nad touto nanotrubicí, která zajišťuje tlumení raménka. Napravo: Snímek pružného raménka s nanotrubicí pořízený skenovacím elektronovým mikroskopem. Bílé šipky označují umístění zavěšené tlumící nanotrubice [9].

Přístupy k miniaturizaci

Existují dva vzájemně se doplňující přístupy k výrobě součástek technologií NEMS. Přístup „top-down“ (miniaturizace) používá k výrobě zařízení tradiční výrobní metody, tj. optickou a elektronovou litografiiLitografie – metoda tisku na hladké povrchy, současně metoda úpravy povrchu polovodičů. Speciálním případem je imersní litografie, jejímž základem je odpuzování oleje a vody. Část povrchu média má za pomocí leptání kyselinami implementován do své struktury olej. Při tisku je povrch pokryt vodou, barva rozpustná v oleji přilne jen k leptaným částem. Obdobnou metodou je elektronová litografie, jejíž podstatou je bodový zápis difrakční mikrostruktury (pomocí skenovacího elektronového paprsku). Záznam se provádí do fotorezistu, kde vzniká po expozici a chemickém odleptání reliéfní profil.. Cílem je zmenšovat velikost mikrosystémů až na objekty (ideálně nanometrové), které získají unikátní kvantové vlastnosti. Výhodou metody je relativně snadná kontrolovatelnost výsledných struktur, nevýhodou jsou jejich dosti velké rozměry. Obvykle jsou zařízení vyrobena z tenkých kovových filmů nebo leptaných polovodičových vrstev. Přístup „bottom-up“ (výstavba) využívá chemických a fyzikálních vlastností jednotlivých molekul a atomů. Funkční celek vzniká postupnou výstavbou z nejmenších částí hmoty. To umožňuje vyrobit mnohem menší struktury, i když často za cenu omezených možností kontroly při výrobním procesu. Společnou snahou obou postupů je replikovatelná tvorba nanosoučástek. Používá se i kombinace obou přístupů, jejímž výsledkem je například uhlíkový nanotrubičkový motor (viz AB 44/2012).

Rotační nanomotor na obrázku je vytvořen z vícestěnných uhlíkových nanotrubic. Kotva a stator jsou ze zlata a k nanotrubici jsou připojeny pomocí elektronové litografie. Pohyb je udržován proudem z přívodních elektrod. Na rozdíl od současných bio-motorů mají NEMS motory velikost v nanometrech. Mohou sloužit jako aktuátory pro provoz v širokém rozsahu frekvencí, teplot a okolních podmínek, jako je vysoké vakuum a drsné chemické prostředí [13].

Materiály

Uhlíková mnohotvárnost

Mnoho z běžně používaných materiálů pro technologie NEMS je na bázi uhlíku, konkrétně diamantu, uhlíkových nanotrubic a grafenu (viz AB 26/2009). To je hlavně díky užitečným vlastnostem těchto materiálů, které přímo odpovídají potřebám pro NEMS. Mechanické vlastnosti jednotlivých forem uhlíku (například velikost Youngova modulu pružnosti) mají zásadní význam pro stabilitu nanosoučástek NEMS. Materiály na bázi uhlíku mají specifickou kovovou a polovodičovou vodivost a lze je využít pro konstrukci tranzistoru (viz AB 25/2004).

Nízké tření nanotrubic umožňuje vytvořit takřka ideální ložiska, a toho lze využít k praktickým aplikacím nanotrubic jako konstrukčních prvků v NEMS. Typickými aplikacemi mohou být nanomotory, přepínače a vysokofrekvenční oscilátory. Ideálním konstrukčním prvkem pro součástky NEMS je také grafen. Grafen má velký Youngův modul pružnosti, malou hustotu a velkou povrchovou plochu. Mimořádná pevnost grafenu splňuje vysoké požadavky na namáhání materiálu. Používá se tam, kde běžné materiály obvykle selžou.

Mechanické výhody materiálů na bázi uhlíku spolu s elektrickými vlastnosti uhlíkových nanotrubiček a grafenu se pak využívá v mnoha elektrických komponentách technologie NEMS. Nanotranzistor byl vyvinut jak pro uhlíkové nanotrubičky, tak pro grafen. Tranzistory jsou jedním ze základních kamenů všech elektronických přístrojů. Tranzistory na bázi uhlíkových nanotrubic i grafenu jsou velmi zásadní pro zařízení NEMS.

Schematické znázornění jednostěnné uhlíkové nanotrubičky (nalevo) a fólie
grafenu (napravo), jakožto nejlepšího materiálu pro NEMS [9].

Kovové uhlíkové nanotrubice

Kovové uhlíkové nanotrubice jsou navrženy jako nanoelektrické propojky, protože je lze zatížit verlkou proudovou hustotou. Tato velmi užitečná vlastnost nám dává možnost je využít jako vodiče pro přenos proudu, a to je dalším základním stavebním kamenem jakéhokoliv elektrického systému. U uhlíkových nanotrubiček se zjistilo, že mají mnoho specifických vlastností pro použití v technologii NEMS, například při připojování uhlíkových nanotrubic k jiným nanostrukturám. Uhlíkové nanotrubice lze strukturálně nastavovat, a můžeme tak tvořit složité nanoelektrické systémy. Výsledné produkty na bázi uhlíku poslouží jako základní materiál NEMS, lze je snadno ovládat a mohou zastávat i funkci tranzistoru.

Obtíže

I když všechny vlastnosti uhlíkových nanotrubic a grafenu jsou velmi užitečné, tak stále oba produkty čelí několika překážkám pro jejich použití v NEMS. Jedním z hlavních problémů jsou reakce uhlíku v reálném prostředí. Zjistilo se, že uhlíkové nanotrubice vykazují velkou změnu elektrických vlastností, když jsou vystaveny kyslíku. Před jejich implementací je proto nutné důkladně prozkoumat změny elektrických a mechanických vlastností, zejména jejich velkou povrchovou oblast, která může snadno reagovat s okolním prostředím. Dále se zjistilo, že vodivost (kovová nebo polovodičová) uhlíkových nanotrubic se mění v závislosti na jejich zkroucení při zpracování. Z tohoto důvodu musí nanotrubice projít speciální úpravou, která zajistí, aby všechny nanotrubice měly vhodnou vodivost. Grafen má také velmi komplikované vodivé vlastnosti v porovnání s obvyklými polovodiči. Grafen totiž nemá zakázaný pásZakázaný pás – interval energie ve kterém se nemůže nacházet žádný ze stavů elektronů v krystalové mříži. Podle šířky zakázaného pásu rozdělujeme látky na vodiče (mají nulovou šířku zakázaného pásu), polovodiče (zakázaný pás nenulový avšak menší než 3 eV) a izolanty (zakázaný pás je větší než 3 eV)., a v podstatě se tak mění všechna pravidla pro pohyb elektronů v zařízeních na bázi grafenu. Obvyklé konstrukce elektronických zařízení pravděpodobně nebudou fungovat a musejí se navrhnout zcela nové architektury pro tyto nové elektronické přístroje.

Schéma grafenového tranzistoru obsahuje grafen (červená), zlaté elektrody (žlutá), oxid křemičitý (průhledná) a křemíkový substrát (černá). Výřez zobrazuje mřížku grafenu a její vady. Volná místa (chybějící atomy) jsou obklopena modrými atomy uhlíku [3].

Pokračování příště

Odkazy