Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 20 – vyšlo 29. května, ročník 13 (2015) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

20/2015

Nanoelektromechanické systémy – první aplikace

Petr Panchártek, Jan Jílek

V minulém díle jsme se začali zabývat nanoelektromechanickými systémy (NEMSNEMS – Nanoelektromechanické systémy, zařízení, která integrují elektrické a mechanické funkce na součástce s rozměry v nanometrech. NEMS jsou dalším miniaturizačním krokem navazujícím na tzv. mikroelektromechanické systémy MEMS.) – miniaturními součástkami, jejichž rozměry jsou na úrovni nanometrů. Jejich vývoj předpověděl v roce 1959 Richard P. Feynman na své slavné přednášce „There's Plenty of Room at the Bottom“. V této druhé (a poslední) části se budeme věnovat některým typickým aplikacím NEMS a numerickým simulacím vytvářených nanosystémů.

Počítačová simulace nanoložiska [1].

MEMS – 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 – Nanoelektromechanické systémy, zařízení, která integrují elektrické a mechanické funkce na součástce s rozměry v nanometrech. NEMS jsou dalším miniaturizačním krokem navazujícím na tzv. mikroelektromechanické systémy MEMS. 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.

Non-volatilní paměť

Paměťový prvek NRAM (Nonvolatile Random Access Memory) je zařízení postavené z mřížky uhlíkových nanovodičů s dobře definovanými stavy, tj. ON (zapnuto) a OFF (vypnuto).

Spodní vrstvu tvoří paralelní soustava nanodrátů (nebo nanotrubic) položených na dielektrické vrstvě, která je odděluje od základní vrstvy polovodiče (dopovaného křemíku). Horní vrstva pružných uhlíkových nanotrubic je zavěšena příčně nad spodní, a to na periodickém poli sloupků z organického nebo neorganického materiálu. V kříženích působí dvě síly: pružnost zavěšených trubiček (odděluje horní soustavu od spodní) a van der Waalsova přitažlivá síla, která trubičky spojí, pokud se k sobě dostanou pod určitou kritickou vzdálenost, a udržuje je spojené i proti pružné síle horní nanotrubice. Každý spoj je tak v bistabilním stavu: přimačkeneme-li horní trubičku ke spodní, zůstanou trvale spojené van der Waalsovou silou. Ono „přimačknutí“ či odtržení mají na starosti napěťové impulzy procházející oběma vrstvami nanovodičů.

Odpor křížení dvou nanotrubic závisí exponenciálně na jejich vzdálenosti, proto je odpor rozpojených nanovodičů o řád vyšší než u spojených. Tím jsou velice dobře definované stavy ON a OFF a tyto stavy můžeme lehce přečíst změřením odporu přechodu. Navíc přepínaní mezi stavy ON a OFF lze lehce provést přivedením vhodného pulzu na příslušnou elektrodu, a vyvolat tak přitažlivou či odpudivou silu. Aby toto bylo možné, musí byt vzdálenost mezi vodiči přibližně 10 nm. Pod touto hodnotou překoná van der Waalsova síla elastickou sílu horní trubičky a oba nanovodiče zůstanou spojené i po odstranění napětí, a tím je informace uchována i bez přístupu ke zdroji elektrické energie (tzv. non-volatilní paměť).

Pohled na pole zavěšených příček obsahující čtyři křížení. Dva prvky jsou ve stavu ON (kontakt) a dva prvky jsou ve stavu OFF (oddělené). Tmavošedá vrstva dole je dopovaný křemík, světle šedá vrstva nad ním je dielektrikum. Kontaktní elektrody jsou zlaté [2].

Nanopinzeta

Jednoduchou nanopinzetu vyrobili na Harvardu v roce 1999. Nanopinzeta vznikla připevněním dvou nanotrubic o průměru 50 nm se zlatými elektrodami na mikropipetu. Nožičky takovéto pinzety se ovládají velikostí napětí na elektrodách. Postupným zvýšením napětí (z 0 V na 8,3 V) se nožičky pinzety začnou přibližovat. Po odstranění napětí se opět oddálí do původní polohy.

Nahoře: Elektromechanická odezva nanopinzety na přiložené napětí. Dole: stínová fotografie nanopinzety držící malý předmět. Na všech třech obrázcích jsou škálovací značky dlouhé 2 mikrometry [3].

Rotační nanomotory

Rotační motor založený na NEMS technologii vyvinuli na UCBUCB – University of California at Berkeley. Požadavky na vznik Kalifornské univerzity pocházejí již z roku 1849, vlastní univerzita byla založena v roce 1866, nejznámější část (UCLA) sídlí v Los Angeles. Berkeleyská část vznikla v roce 1873.. Jako rotor slouží pevný obdélníkový kovový plátek (na obrázku R), který je příčně připojen uhlíkovou vícestěnnou nanotrubicí. Ta je klíčovým prvkem v sestavě, slouží jako nosná hřídel rotorové destičky, jako elektrická průchodka mezi elektrodami (na obrázku jsou označeny A1, A2) a umožňuje samotnou rotaci destičky kolem osy. Přívodní elektrody leží na oxidovaném povrchu křemíkového čipu.

Tato sestava je obklopena třemi pevnými elektrodami statoru: dvě jsou uloženy vodorovně proti sobě v rovině rotoru (S1, S2) a třetí („hradlo" S3) je zanořena pod povrchem. Motor je řízen čtyřmi stejnosměrnými signály. Jeden přichází na rotorovou destičku a tři zbývající na statorové elektrody. Možné je měnit polohu destičky, rychlost a směr otáčení. Rozměry destičky byly přibližně 200 nm na 500 nm. Stejnosměrné napětí 50 V mezi rotorem a elektrodou S3 způsobilo výraznou rotaci. Po odpojení napětí se rotorová destička rychle vrátila do původní vodorovné polohy.

Obdobná zařízení bude možné využít jako senzorové prvky, rotační aktuátory, spínací prvky, pádélka pro detekci či vytvoření pohybu kapaliny v mikrofluidních systémech či pro řízené přerušování optického svazku.

Rotor vyvinutý v UCBUCB – University of California at Berkeley. Požadavky na vznik Kalifornské univerzity pocházejí již z roku 1849, vlastní univerzita byla založena v roce 1866, nejznámější část (UCLA) sídlí v Los Angeles. Berkeleyská část vznikla v roce 1873.. Nalevo je schéma, napravo fotografie pořízená skenovacím elektronovým mikroskopemSEM – Skenovací Elektronová Mikroskopie, vytváření obrazu předmětu elektronovým mikroskopem z odražených elektronů. Energetický svazek elektronů skenuje povrch vzorku. Obraz tvořený odraženými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Slouží zejména k metalografickým analýzám kovových či pokovených materiálů a chemické analýze jejich složení na základě spektrometrie charakteristického rentgenového záření buzeného dopadajícím elektronovým svazkem. Jinou technikou je TEM, při které se obraz vytváří z prošlých elektronů. před závěrečným vysokofrekvenčním leptáním zařízení. Rotor byl připraven metodou „shora dolů“, tedy postupnou miniaturizací. Škálovací značka je dlouhá 300 nm [4].

Nanorelátka

Nanorelé založené na pružné uhlíkové nanotrubici poprvé popsal Jari Kinaret v roce 2003 na Chalmersově univerzitě technologií v Goteborgu. O rok později se tuto součástku podařilo vyrobit na Univerzitě v Goteborgu týmu pod vedením Eleanora Campbella [5, 6]. Jde o zařízení se třemi elektrodami (klasicky označovanými S, G a D). Nanorelé má tvar výšené terasy, na které je vodorovně k elektrodě S připevněna pružná uhlíková nanotrubice. Ta se vznáší ve výšce přibližně 80 nm nad dvěma dalšími elektrodami G a D, mezi nimiž je vzdálenost zhruba 250 nm. Přivedeme-li vhodné napětí mezi elektrody S a G (nad 10 V), dojde k zajímavému jevu. Rozdílné náboje ohnou nanotrubici směrem k elektrodě G a mezi nanotrubicí a elektrodou D se zmenší vzdálenost natolik, že elektrony začnou tunelovat, a se zmenšující se vzdáleností prudce narůstá elektrický proud (dojde k sepnutí relé). Napětím U_SG tak lze řídit proud I_SD tekoucí mezi elektrodami S a G. Silně nelineární závislost na průhybu nanotrubice a její vzdálenosti od elektrody D vede k přechodu z nevodivého stavu (OFF) na vodivý stav (ON) v závislosti na napětí přivedeném na elektrodu G. Značná nelinearita obvodu umožňuje zesílení velice slabých signálů přivedených na elektrodu G. Předpokládá se, že nanorelé bude možné využít pro paměťové prvky, pulzní generátory, signálové zesilovače i logické prvky.

Nanorelé s uhlíkovou nanotrubicí vyrobené na Univerztitě v Goteborgu v roce 2004.
Napravo je fotografie ze skenovacího elektronového mikroskopu [5, 6].

Laditelné elektromechanické oscilátory

Laditelný oscilátor připravili na Cornellově univerzitě v USA v roce 2004. Základem je nanotrubice zavěšená nad „údolím“. Oba konce jsou upevněny k elektrodám S a D (materiál Au/Cr). Pod nanotrubicí je na křemíkovém čipu elektroda G, která je kapacitně vázána s trubicí. Celá soustava tvoří oscilátor s široce laditelnou frekvencí. Údolí pod trubicí bylo široké 1 200 až 1 500 nm a hluboké 500 nm. Pohyb nanotrubice je vyvolán a detekován pomocí kapacitní vazby s elektrodou G nacházející se pod nanotrubicí. Napětí na elektrodě G má jak stejnosměrnou, tak střídavou složku. Stejnosměrná složka napíná nanotrubici, a nastavuje tak její mechanické napětí. Střídavá složka vytváří periodickou sílu, která uvádí nanotrubici do pohybu. Pokud se střídavá složka blíží rezonanční frekvenci, začne nanotrubice kmitat s velmi velkou amplitudou.

Nahoře: snímek zařízení pořízený skenovacím elektronovým mikroskopem. Snímek je převeden do nepravých barev. Dobře patrná je zavěšená nanotrubice. Dole je schematický náčrtek laditelného elektromechanického oscilátoru [76].

Nanopapír

Nanopapír (nebo také buckypapír na počest architekta Buckminstera Fullera, který navrhoval kopule podobné molekulám fullerenuFullereny – sférické struktury tvořené atomy uhlíku, rozměr této obří molekuly je kolem 0,7 nm. Nejdůležitější z fullerenů jsou C₆₀, C₅₀ a C₇₀ obsahujících 60, 50 a 70 atomů uhlíku. Fullereny za normálních podmínek sublimují při teplotách nad 500 °C. Fullereny jsou pojmenovány po americkém architektu Buck­min­ste­ro­vi Fullerovi, který stavěl kopule podobného tvaru. Za objev fullerenů získali Nobelovu cenu za chemii v roce 1996 Robert Curl, Harold Kroto a Richard Smalley.) je materiál složený ze slepených nanotrubiček. V porovnání s běžnou ocelí je jeho hustota desetinová, ale jeho pevnost je pětisetnásobná. Navíc má ve směru uhlíkových nanotrubic vynikající tepelnou i elektrickou vodivost. Poprvé ho připravil v roce 2008 profesor Ding Wang ve Výzkumném středisku nanotechnologií v Pekingu. Dnes ho již komerčně vyrábí společnost NTL.

Zdá se, že buckypapír má před sebou skvělé vyhlídky. Své místo nepochybně nalezne v protipožární ochraně. Stačí předmět pokrýt tenkou vrstvou buckypapíru a o ostatní se postarají uhlíkové nanotrubičky. Spolehlivě odrážejí tepelné záření a chrání předmět před vznícením. Bucky papír by mohl posloužit jako účinné pancéřování. Uvažuje se také o jeho využití při konstrukci počítačových a televizních displejů nové generace. Vynikající tepelná vodivost umožní výrobu nových druhů chladičů, které budou odvádět teplo z elektroniky mnohem účinněji, než je to možné v současné době, což by mohlo vést k další vlně miniaturizace.

Tenký film z buckypapíru může chránit elektronické obvody a zařízení v letadlech před elektromagnetickým rušením. Takové vrstvy by mohly chránit i elektromagnetické „podpisy“ ve vojenských letadlech, které slouží k jednoznačné radarové identifikaci. Buckypapír by také mohl fungovat jako filtrační membrána k zachycení mikročástic ze vzduchu nebo z tekutin. Nanotrubice v buckypapíru jsou nerozpustné a lze je nastavit do různých funkčních skupin, což umožní selektivně odstraňovat (nebo detekovat) určité látky. Buckypapír se může využít pro růst biologických tkání, například nervových buněk. Buckypapír může být elektrifikovaný a podpořit růst specifických typů buněk. Jako hudba budoucnosti zní úvahy o jeho využití jako umělého svalu.

Komerčně prodávaný buckypapír. Nabízí ho společnbost NTL (NanoTech Labs). Arch buckypapíru má rozměry 30×30 cm, plošnou hustotu 20 g/m² a cena za jeden arch je 115 USD (necelé 3 000 Kč). Zdroj: NTL.

Závěr

Vynikajícím pomocníkem při návrhu a testování NEMS technologií jsou počítačové simulace. Nejčastěji se simulace provádějí metodami molekulární dynamiky nebo simulacemi v rámci mechaniky kontinua. Simulace umožňují analýzu mechanických, elektrických a tepelných vlastností navrhovaných součástek, včetně jejich stability. Příprava nanosoučástek se postupně přesouvá z univerzitních laboratoří, kde byly vyráběny jednotlivé unikátní kusy, do laboratoří komerčních společností, kde by tyto součástky v budoucnosti neměly být raritou, ale součástí nových technologií. Jak dlouho to ale potrvá, lze jen obtížně předvídat.

Spin-fononová interakce. Na videu je počítačová simulace, při které se ukázalo, že změna spinuSpin – vlastní (vnitřní) rotační moment částice souvisící s Lorentzovou symetrií. Pro částici v centrálním poli se přirozeným způsobem skládá s momentem hybnosti. Částice s nenulovým spinem se mohou chovat jako elementární magnetické dipóly μ, aniž by měly elektrický náboj. Takové částice reagují na vnější magnetická pole. molekuly vyvolaná magnetickým polem vede ke vzniku vibračního kvanta (fononuFonon – kvazičástice vibrací krystalové mříže, vibrační kvantum šířící se krystalovou mříží. Pomocí fononů lze popisovat šíření zvukových vln v pevných látkách. Samotný název fonon vznikl jako analogie k fotonu. Foton je částicí elektromagnetického pole, fonon je kvazičásticí netlumeného zvukového pole v pevné látce.), které charakteristicky deformuje nanotrubici, na níž je molekula zachycená. Zdroj: Karlsruhe Institute of Technology.

Konec

Odkazy