Наноэлектромеханические системы

Х.Г. Крэйгхед, перевод Ю. Свидиненко, Immortality Corp. team.

Рис. 1.

Наноэлектромеханические системы развиваются столь быстро благодаря новым научным открытиям и появлению их технических применений. Механические устройства уменьшаются в размерах, при этом снижается их масса; увеличивается резонансная частота и уменьшается их константы взаимодействия. Нововведения в этой области включают в себя улучшения в процессе изготовления и новые методы для детектирования движения и привода наносистем. Используя методы литографии, стало возможным создание автономных объектов в кремнии и других материалах с толщиной и длиной менее 20 нанометров (нм). Похожими методами можно изготовить каналы или поры молекулярных размеров. Что позволит получить доступ в новый экспериментальный режим и ожидать новых применений таких устройств для считывания (сканирования) и молекулярного взаимодействия.

К микроэлектромеханическим системам (МЭМС), изученным в течении десятилетий (1,2), недавно возрос интерес благодаря росту их коммерческого применения. Массивы микромеханических зеркал для оптических шаговых искателей, например, недавно произвели революцию в оптико-коммуникационной промышленности. На рис.1 изображена зеркальная матрица, состояние которой зависит от наклона зеркал ( матрица изготовлена компанией Lucent Technologies) диаметром ~0.4 мм (3). Подобные технологии используются в проекционных дисплеях на основе матрицы металлических зеркал для модулирования световых лучей (4). Струйные принтеры, использующие управление жидкой струей - основные потребители микромашинных интегрированных электромеханических систем (5). Акселерометры, используемые в качестве сенсоров для выброса автомобильных подушек безопасности, также используют МЭМС (6). Существует, наконец, ряд МЭМС - сенсоров и активаторов, находящихся на разных стадиях развития (7). Большинство устройств, используемых повседневно, изготовлены с помощью технологий, основанных на производстве из кремния, благодаря хорошо развитым методам, созданных для использования микроэлектронной промышленностью. Типичные размеры МЭМС - устройств колеблются от единиц до сотен микрометров (мкм). Важность МЭМС - технологии не только в столь малых размерах, сколько в использовании плоских технологий обработки, использующихся в изготовлении электронных интегральных схем, для одновременного изготовления ряда простых и сложных механических устройств в интегрированной разработке.

Наноэлектромеханические системы (НЭМС) характеризуются малыми размерами, при этом их размеры соответствуют функциям, выполняемыми устройством. Граничные размеры варьируются от нескольких сотен до единиц нанометров. Новые физические свойства, появившиеся благодаря малым размерам, играют ведущую роль в операциях, выполняемыми этими устройствами, поэтому для их изготовления потребуются новые подходы. Производители микроэлектронной техники неуклонно изготавливают транзисторы все меньших размеров, возрастает их плотность на единицу объема в интегральных микросхемах. Основная, и самая сильная движущая сила этой миниатюризации - экономика. Так, минимальные размеры транзистора уменьшились до 100 - нанометрового диапазона (смотри, например, (8)). Миниатюризация коммерческой электроники происходит совместно с физически обоснованными разработками в области электронного транспорта и магнитных свойств мезоскопических и нанометрических устройств. Разработки в области нанотехнологий часто включают в себя разнообразные материалы и методы их обработки с более высоким пространственным разрешением, чем может обеспечить кремниевая микроэлектронная промышленность. Одни и те же усовершенствованные производственные процессы могут быть использованы для дальнейшей миниатюризации электромеханических систем для того, чтобы работать в НЭМС режиме. Новый класс НЭМС - устройств может обеспечить революционные результаты, применяя их в сенсорах, медицинской диагностике, дисплеях и устройствах для хранения информации. НЭМС - устройства могут сделать возможными эксперименты над структурой и функциями одиночных бимолекул. Начальные исследования в науке и технике, относящиеся к наномеханическим системам имеют место уже сейчас во все возрастающем числе лабораторий по всему миру.

Автономные наноструктуры

Один из классов НЭМС - устройств состоит из автономных, или подвешенных механических объектов, размером порядка десятков нм. Эти устройства могут быть получены путем комбинации электроннолучевой литографии и травления, чтобы удалить ненужный материал под литографически изготовленным объектом. Квонг и другие, например, изготовили подвешенные металлические струны шириной менее 50 нм (9). Этот подход был использован для изолирования тонких металлических струн от фононов, связанных с субстратом. Создание двумерной модели (шаблона) на тонкой пленке, и ее вырезание для того, чтобы получить готовую структуру, получило название "механическое изготовление микромашин на поверхности" или метод "поверхностной микро обработки" (10). Для больших структур этот метод использовался с кремниеподобными материалами. Комбинация таких машинных подходов с литографией высокого разрешения позволила создать базовый метод изготовления НЭМС - устройств. Схема процесса по их изготовлению этим методом представлена на рис. 2.

Шаблон наносится на защитную пленку ПММА сканирующим фокусированным лучом электронов, управляемых компьютером. В стандартных литографических подходах используют ультрафиолетовый свет для экспозиции предохранительного слоя, но дифракция при этом ограничивает разрешение модели. Электронные лучи с энергией в кэВ не ограничены дифракцией. Электроны изменяют химический характер предохранительного слоя - тонкой полимерной пленки (ПММА), сформированной на кремниевой поверхности с помощью вращения. Химически модифицированная пленка имеет отдельные разрежения в структуре, создающие полимерный шаблон или другую форму для травления и передачи ее на субстрат (12, 13). Области под полученной структурой должны быть также определены путем следующего литографического шага (вырезание изотропным травлением), чтобы со временем получить только тонкую, изолированную от субстрата структуру. В большинстве случаев наномеханическое устройство подразумевает связь с опорами на субстрате. Но один и тот же продукт может быть использован для изготовления "свободноплавающих структур". Этот похожий микромашинный метод использует электроннолучевую литографию для создания подвижных систем на базе слоистой однокристальной пластины (14). Электроннолучевой метод гибок, так как луч может быть сканирован для шаблона любой формы и пригоден для создания любого двумерного объекта.

Рис. 2.

По результатам вышеописанного метода были сделаны микрофотографии сканирующим электронным микроскопом. Они показаны на рис.3. Рисунки 3 А, В показывают наклоняемые зеркала шириной 2 мкм с поддерживающими струнами менее 50 нм диаметром (15). Это ~ в 200 раз меньше МЭМС - зеркал, показанных на рис.1. Зеркала могут быть приведены в движение резонансом с переменным электромагнитным полем, которое вызывает ряд осцилляторных режимов* устройства. Электромагнитное поле создается источником переменного напряжения, приложенного между электродом на субстрате и электродом на движущемся элементе, как это видно из рис. 2. Рис. 3 С показывает набор одно кристальных кремниевых струн разной длины (16).

Как и в музыкальных инструментах, частота резонирования этих струн зависит от их длины. Когда устройство приведут в действие с помощью электромагнитного поля, струны будут резонировать со своими собственными частотами. Для данного устройства все частоты находятся в радиочастотном диапазоне. Резонансная частота луча, зафиксированного с двух сторон будет равна:

Рис. 3.

~2-х мкм струна, например, имеет частоту резонирования ~400 МГц. Подобные структуры можно изготовить, размещая аморфные или поликристаллические материалы подходами, рассматривавшимися выше. На рис. 3 D показана дырчатая структура, образующая осциллирующее зеркало - часть устройства Фабри-Перота, в котором движение детектируется с помощью изменения оптической интерференции при изменении положения зеркала (17). Благодаря тому, что размеры дырчатой матрицы меньше длины волны света, ее оптические характеристики формируют эффективный показатель преломления, сформированный с помощью этого "измельчения" до длины волны меньше световой. С помощью таких устройств возможно создания структур, изготовленных с помощью нанопроизводства, с оптическими свойствами, отличающимися от свойств объемных систем. Рид и другие использовали литографический метод для создания высокоточных кремниевых струн посредством химического травления, чтобы в будущем с помощью этой технологии можно было уменьшить их ширину (18). Таким образом удалось получить подвешенные кремниевые струны шириной в 20 нм, в которых наблюдались сдвиги в плазмонных частотах, ранее обнаруживаемые методами спектроскопии потерь энергии электронов.

Приведение в движение жестких наносистем

Для малых структур проблематично как приведение их в движение, так и его детектирование. Все движущиеся устройства, рассмотренные в предыдущем параграфе, приводились в движение приложенными к ним электромагнитными полями, причем это движение наблюдалось с помощью методов детектирования, основанных на изменении оптической интерференции или угла преломления лазерного луча. Это, вероятно, самые основные и непосредственные методы активирования и наблюдения микро движений. Они могут быть использованы в различных экспериментальных установках. И статическое перемещение, и резонирующее движение могут достигаться этими методами. Иные методы могут использоваться для индуцирования и детектирования нанодвижения НЭМС-устройств. Силы Лоренца могут быть использованы для приведения в движение маленьких токопроводящих лучей (струн) (14) с помощью переменного тока, проходящего через проводник в сильном поперечном магнитном поле. Индуцированная ЭДС, или напряжение, может служить мерой движения. Этот метод требует полностью проводимые части, и работает достаточно хорошо, например, с проводником, зафиксированным с обоих концов. Пьезоэлектрические элементы и двойные пластины, с разным тепловым расширением (например, биметаллические пластины), установленные на подвижных элементах, могут использоваться для активирования МЭМС-устройств. В резонирующих системах вспомогательный привод также хорошо работает в наномасштабах, используя пьезоэлектричество или другие методы активации колебательных резонаторов НЭМС-устройств. Туннельный метод очень чувствителен и может быть использован для обнаружения субнанометрического движения, благодаря экспоненциальной зависимости туннельного тока, в зависимости от расстояния между туннельными электродами (19). Для широко распространенного коммерческого применения, миниатюризация и интеграция вышеописанных систем принесла бы немалую пользу.

Новый метод убедительно продемонстрировал, как можно использовать сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) в качестве привода, совместно со сканирующим электронным микроскопом для детектирования движения (20). Эта попытка обеспечить возможности, необходимые для структур осцилляторного типа на более точном уровне, чем может дать использование лазерной Допплеровской техники. Микрофотография СТМ-захвата и консоли из нитрида кремния, полученная с помощью электронного сканирующего микроскопа, показана на рис.4., слева.

Переменное напряжение, приложенное к пьезоэлектрическому осевому двигателю захвата, сообщает системе локальное механическое передвижение. Наблюдая взаимодействие сфокусированного электронного луча с движущимся осциллятором, можно измерить это движение. СТМ может быть также полезен для представления вида поверхности наноструктуры и для точной корреляции поверхности структуры с механическим положением системы. Этот метод лег в основу изготовления настраиваемых НЭМС-осцилляторов.

Рис. 4.

Меньшие механические устройства могут использоваться для измерения малых сил, и точно так же НЭМС-системы могут приводиться в движение малыми силами. Возможность изготовления структур, способных взаимодействовать с материалом и обеспечивать его зондирование, открывают новые возможности на молекулярном уровне. Сканирующие микроскопы такие, как СТМ, и АФМ (атомно-силовой микроскоп) уже работают в нанорежиме. НЭМС-технология более общая, чем остальные, разработанные для разнообразных прикладных целей. Миниатюризация механических систем мотивируется, например, ее применением в сверх емкостных устройствах хранения информации (21), или высокочастотных устройств - компонентов беспроводной связи (22). С уменьшением размеров устройства, поверхность играет доминирующую роль в свойствах объектов и механическое рассеяние, связанное с характером поверхности, становится все более важным. Эти тезисы и определяют ход исследований в области физики материалов НЭМС-систем.

Маленькие и тонкие механические устройства могут иметь очень небольшие постоянные взаимодействия и, в принципе, могут быть использованы для детектирования сил, индуцированных слабыми магнитными полями. Сайдлз ожидает, что механические осцилляторы могут использоваться для прямого определения магнитной силы одиночного спина в магнитно-резонансной системе, что позволит создать магнитно-резонансную систему визуализации с молекулярным разрешением (23). Ругар и другие описали экспериментальную установку, использующую резонирующую механическую консоль для детектирования осциллирующих магнитных полей малых, ~30 нанограмм (нг), парамагнитного образца (24). Консоли для детектирования магнитных сил могут быть более миниатюризованными. С целью увеличить чувствительность экспериментов, в некоторых лабораториях ведутся соответствующие исследования (25). Биомеханические силы могут быть измерены при помощи матриц отклоняющихся консолей (26).

Наномеханические осцилляторы могут использоваться для сверхчувствительного детектирования адсорбированной массы. Используемый в настоящее время метод, основанный на анализе сдвига в резонансной частоте макроскопических кварцевых генераторов для измерения изменения масс, хорошо развит и применяется для измерения толщины наращенных пленок в микротехнологиях. МЭМС-резонирующие системы, функционирующие в воздушной среде и использующие электрическую или оптическую передачу данных, могут определить изменение массы порядка 1 пикограмма (пг) (27, 28). Бактерия, например, имеет массу ~1 пг и, при прикреплении ее к консоли, она детектируется с помощью резонансного сдвига вибрирующей консоли. Электронная микрофотография бактерии Esherichia Coli O157:H7 на консоли из нитрида кремния показана на рис. 5.

Консоль покрыта слоем антител этой бактерии, поэтому присоединение специфично и определено только для этого вида патогенного микроорганизма (27). Очевидно, что разные клетки совместимы по размерам с изготовленной консолью. Сдвиг резонансной частоты этой одиночной клетки может быть определен с помощью вибрации консоли в воздушной среде. А если создавать еще меньшие вибрирующие устройства, с принципом действия, описанным выше, уменьшая при этом давление окружающей среды, то можно детектировать даже аттограммы (27, 28). Это дает возможность уменьшать в размерах механические устройства.

Рис. 5.

Наномеханические резонансные системы могут осциллировать с высокими частотами, и могут использоваться как радиочастотные устройства. Например, устройство, подобное изображенному на рис. 3А, может работать как резонатор в диапазоне от 1 до 10 МГц с добротностью порядка 103, доказательство тому - нелинейная механическая характеристика устройства даже при очень малых амплитудах. Измерение и вычисление передаточной характеристики простого однокристального НЭМС-осциллятора показаны на рис. 6 (15). Асимметричная передаточная характеристика является отражением нелинейных величин в уравнении движения осциллятора. Эти эффекты очевидны даже при самых малых амплитудах (таких, как 10 или 15 нм).

Такое поведение системы можно использовать для создания параметрических осцилляторов а также, возможно, для создания высокочувствительных резонансных сенсоров и масс-детекторов.

Наножидкости

Рис. 6.

Многие химические, биологические, биофизические процессы и эксперименты протекают в жидкой среде. Поэтому ожидается, что класс НЭМС-устройств, совместимый по размерам с жидким окружением, будет играть важную роль в исследованиях в вышеуказанных областях. Эти масштабы включают разбег длин наночастиц, молекул и, отображаемых электростатически, длин ионно-проводящих жидкостей. Микрожидкостные технологии представляют интерес, и сейчас приняты на вооружение в миниатюризованных системах химической обработки. Тотальные микроанализирующие системы (mТАС), или "лаборатория-на-чипе", используют системы доставки жидкостей, изготовленные с использованием микротехнологий. Это каналы порядка десятков и сотен микрометров [см., например, (29)]. Граничные размеры наножидкостных систем колеблются от сотен до нескольких нанометров. Электрическое поле в ионно-проводящих жидкостях, как альтернатива к методу транспортировки с помощью гидростатического давления, может быть использовано для нагнетания и контроля за протеканием жидкостей, или же даже для слежения за движением их индивидуальных молекул. Электроосмотическое движение жидкостей, или электрофорезное движение заряженных молекул может контролироваться приложенным электрическим потенциалом, изменяя форму поверхности или геометрию управляющего канала (30). Чхоу, Ван Оуденаарден и Боксер (31), например, описали системы, в которых размеры структур сопоставимы с расстоянием взаимопроникновения в одномолекулярных системах. В асимметричной диффузной матрице отдельные группы могут динамически сортировать молекулы, благодаря выпрямлению молекул, размеры которых зависят величины их броуновского движения. Хан и Крэйгхед сортировали длинные молекулы ДНК, создав структуры меньшие радиуса вращения молекул (32-34). Способность молекулярного транспорта этих систем следует из их размеров. Уникальные возможности НЭМС-систем состоят в их использовании при одномолекулярном детектировании, анализе и применении.

Методы создания нанометрических каналов включают использование подходов, связанных с удалением балластного слоя. Эти методы родственны методам изготовления автономных механических структур, описанных выше с помощью электроннолучевой литографии и непосредственного травления (см. рис.7). Таким образом, трубка может быть изготовлена следующим способом: берется нить из травящегося материала и, прежде чем поддерживающая подложка будет убрана (как при создании автономной структуры), необходимо инкапсулировать нить в не травящийся материал. А затем селективно убрать ее, освобождая образовавшуюся полость. Этот подход может применяться для целого ряда материалов и разнообразных форм, используя нитрид или диоксид кремния (35-37). Вышеописанный метод используется при создании асимметричных диффузных матриц, уже нами рассмотренных, а также для устройств динамического сортирования полимеров методом энтропического разделения по способности к деформации и длине (38). Возможность интегрировать электрически управляемые процессы в наножидкостных системах является очень мощным инструментом, который повышает функциональность устройств на уровень, достигнутый интегральными электрическими устройствами.

Будущие направления

Возможность производить механические структуры с произвольной геометрией из целого ряда материалов, обеспечивает новые возможности для экспериментирования в наномасштабах и дает возможность создать устройства, способные взаимодействовать с отдельными молекулами. На сегодняшний день нанотрубки из углерода и другие "безупречные" структуры широко используются и имеют интересные механические характеристики (39). НЭМС-системы, изготовленные с помощью литографических подходов достигают размеров углеродных нанотрубок, но, в отличие от них, могут быть изготовлены из разнообразного набора материалов, и способны интегрироваться с электрическими и оптическими системами, для создания высокофункционирующих устройств. Связь с действующими молекулами такими как рецепторными молекулами, мембранными порами (40), двигательными молекулами (41) и с другими функциональными молекулярными системами значительно расширяет области применения НЭМС-устройств.

Рис. 7.

НЭМС-структуры могут быть изготовлены и с помощью химии поверхностей, на них можно накладывать шаблоны (42) для взаимодействия с молекулярными системами, объединяя мощь биохимии с вышеразработанными устройствами. В этой статье описаны ожидаемые технологии, которые могут быть использованы для создания революционно нового класса устройств. Можно уверенно ожидать, что за десятилетие или меньший срок, НЭМС-устройства вытеснят на том же уровне миниатюризации МЭМС-системы.

Используя НЭМС-технологию, мы можем ожидать появления высокофункциональных сенсоров, атравматичных медицинских диагностических устройств и сверх емких устройств для хранения информации. В настоящее время продолжаются основные изучения методов изготовления наносистем.

-----------------------------------------------------

* осциллятор - система, совершающая поступательно-возвратные колебания.

Список литературы

1. W. E. Newell, Science 161, 1320 (1968).

2. K. E. Peterson, IEEE Trans. Electron Devices 25, 1241 (1978).

3. Image of mirror arrays shown in Fig. 1 was obtained from D. Carr, Lucent Technologies, and reprinted with permission.

4. L. J. Hornbeck, Texas Instruments Tech. J. 15, 7 (1998); U.S. Patent 5,583,668 (multilevel digital micromirror device); P. F. Van Kessel, L. J. Hornbeck, R. E. Meier, M. R. Douglass, Proc. IEEE 86, 1687 (1998).

5. E. Bassous, H. H. Taub, L. Kuhn, Appl. Phys. Lett. 31, 135 (1977).

6. L. M. Roylanceans, J. B. Angell, IEEE Trans. Electron Devices 26, 1911 (1979).

7. S. M. Sze, Ed., Semiconductor Sensors (Wiley, New York, 1994).

8. J. Wolfe, Ed., Papers from the 43rd International Conference on Electron, Ion, and Photon Beam Technology and Nanofabrication (American Vacuum Society, New York, 1999).

9. Y. K. Kwong et al., J. Vac. Sci. Technol. B 7, 2020 (1989).

10. M. Madou, Fundamentals of Microfabrication (CRC Press, New York, 1997), pp. 217?274.

11. G. Brewer, Ed., Electron Beam Technology (Academic Press, New York, 1980); H. G. Craighead, J. Appl. Phys. 55, 4430 (1984).

12. C. G. Smith, H. Ahmed, M. N. Wybourne, J. Vac. Sci. Technol. B 5, 314 (1987).

13. D. W. Carr, H. G. Craighead, J. Vac. Sci. Technol. B 15, 2760 (1997).

14. A. N. Cleland, M. L. Roukes, Appl. Phys. Lett. 69, 2653 (1996).

15. S. Evoy et al., J. Appl. Phys. 86, 6072 (1999).

16. D. W. Carr et al., Appl. Phys. Lett. 75, 920 (1999).

17. D. W. Carr, L. Sekaric, H. G. Craighead, J. Vac. Sci. Technol. B 16, 3821 (1998).

18. B. W. Reed et al., Phys. Rev. B 60, 5641 (1999).

19. A. Erbe et al., Appl. Phys. Lett. 73, 3751 (1998).

20. M. Zalalutdinov et al., Appl. Phys. Lett. 77, 3287 (2000).

21. P. Vettiger et al., IBM J. Res. Dev. 44, 3233 (2000).

22. K. Wang, Y. Y. Yu, A.-C. Wong, C. T.-C. Nguyen, in Technical Digest of the 12th International IEEE Micro Electro Mechanical Systems Conference ( IEEE, Piscataway, NJ, 1999), p. 453.

23. J. A. Sidles, Phys. Rev. Lett. 68, 1124 (1992).

24. D. Rugar, C. S. Yannomi, J. A. Sidles, Nature 360, 563 (1992).

25. P. C. Hammel et al., J. Low Temp. Phys. 101, 59 (1995).

26. J. Fritz et al., Science 288, 316 (2000).

27. B. Ilic et al., Appl. Phys. Lett. 77, 450 (2000); B. Ilic et al., paper presented at the 198th Meeting of the Electrochemical Society, Phoenix, AZ, 22 to 27 October 2000.

28. Z. J. Davis et al., J. Vac. Sci. Technol. B 18, 612 (2000).

29. A. van den Berg, W. Olthuis, P. Bergveld, Eds., Proceedings of the mTAS 2000 Meeting, Enschade, Netherlands, 15 to 18 May 2000 (Kluwer Academic, Dordrecht, Netherlands, 2000).

30. A. Kitahara, A. Watanabe, Eds., Electrical Phenomena at Interfaces (Dekker, New York, 1984).

31. C.-F. Chou et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 96, 13762 (1999); A. van Oudenaarden, S. G. Boxer, Science 285, 1046 (1999).

32. J. Han, H. G. Craighead, J. Vac. Sci. Technol. A 17, 2142 (1999).

33. J. Han, H. G. Craighead, J. Vac., Science 288, 1026 (2000).

34. J. Han, H. G. Craighead, J. Vac., Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 4177, 42, (2000).

35. S. W. Turner, H. G. Craighead, Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 3258, 114 (1998).

36. S. W. Turner et al., J. Vac. Sci. Technol. B 16, 3835 (1998).

37. L. L. Soares et al., J. Vac. Sci. Technol. B 18, 713 (2000).

38. H. Craighead, J. Han, S. W. Turner, Technical Digest: Solid-State Sensors and Actuators Workshop (Transducers Research Foundation, Cleveland Heights, OH, 2000), p. 26; S. W. Turner, thesis, Cornell University, Ithaca, NY (2000); C. F. Chou et al., Electrophoresis 21, 81 (2000).

39. P. Poncharal, Z. L. Wang, D. Ugarte, W. A. de Heer, Science 283, 1513 (1999).

40. A. Meller et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 97, 1079 (2000).

41. R. K. Soong et al., Science 290, 1555 (2000).

42. C. K. Harnett, K. M. Satyalakshmi, H. G. Craighead, Appl. Phys. Lett. 76, 2466 (2000).

Дизайн сайта разработан KN Graphics