NEMS – 纳米机电系统 |简单概述

NEMS（NanoElectroMechanical System 的缩写）是在纳米级（即 100 纳米或以下）集成电气和机械功能的设备。

它们是继通常处理尺寸在 1 至 100 纳米之间的元件的 MEMS（MicroElectroMechanical System）之后的微型化高级水平。

NEMS 有几个迷人的属性。它可以提供微波范围内的基本频率、阿牛顿水平的力灵敏度、远低于约卡热量的热容、飞克范围内的活性质量、单个分子水平的质量灵敏度——不胜枚举。

NEMS 主要包含执行器、传感器、谐振器、梁、传感器和电机等设备。这些组件将一种形式的能量转化为另一种形式，然后可以很容易地测量和利用。

NEMS 的早期示例

第一个 NEMS 是 1960 年由贝尔实验室的 Dawon Kahng 和 Mohamed M. Atalla 建造的。它是一个 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管），栅极氧化物厚度为 100 nm。

两年后，他们成功地制造了包含厚度为 10 nm 的金膜的纳米层基金属半导体结晶体管。然而，第一个具有 10 nm 栅极氧化物的 MOSFET 直到 1987 年才出现。

MOSFET 的图示，显示了主体 (B)、源极 (S)、栅极 (G) 和漏极 (D) 端子。

1989 年多栅极 MOSFET 的发明使包括英特尔、IBM、AMD 和三星电子在内的多家公司能够制造出越来越小的微处理器和存储单元。

VLSI（超大规模集成）工艺使得在单个芯片上组合数百万个 MOS 晶体管成为可能。这些集成电路在 1970 年代被广泛采用，使得复杂的半导体和通信技术得以发展。

CPU、GPU、RAM、ROM等胶合逻辑都是VLSI器件。在超大规模集成电路工艺发明之前，大多数集成电路只能执行有限数量的任务。

80486 微处理器（来自 1990 年代），拥有超过一百万个晶体管

MOSFET 现在被认为是现代电子产品的基本构建块。自 1960 年代以来，它主要负责提高晶体管密度、提高性能和降低集成电路的功耗。

MOSFET 也是历史上制造最多的器件之一。截至 2018 年，大约制造了 13 个六亿（或 13000 万亿）个 MOSFET。

NEMS 设备是如何制造的？

NEMS 可以使用两种互补的方法制造：

自上而下的方法： 它使用传统的微制造技术，如电子或光束光刻和热处理，来构建设备。尽管它提供了对所得结构的更好控制，但受到所用技术分辨率的限制。

在这种方法中，起始材料是相对较大的结构，例如硅晶体。通常，蚀刻后的半导体层或金属薄膜用于制造纳米棒、纳米线和图案化纳米结构等NEMS器件。

在某些情况下，大型材料被粉碎到纳米级以增加表面积与体积比，这最终增强了纳米材料的反应性。在电弧炉中使用石墨制造碳纳米管是自上而下方法的完美示例。

自下而上的方法： 它利用分子的化学特性将它们组织或组装成所需的构象。这些方法依赖于分子识别（两个或多个分子之间的特定相互作用）或分子自组装（无外部方向）的概念。

虽然它对制造过程的控制有限，但与自上而下的方法相比，可以构建更小的结构而不会浪费大量材料。

自下而上的方法也可以在自然界中找到。例如，生物系统利用化学力来产生生命所需的细胞结构。研究人员试图模仿大自然的这种行为来创建某些原子簇，这些原子簇可以自组装成一些有用的结构。

这种方法的一个很好的例子是使用金属催化聚合技术制造碳纳米管。

用于制造 NEMS 的材料

1.聚二甲基硅氧烷

聚二甲基硅氧烷是最常用的硅基有机聚合物。这种有机硅弹性体以其独特的特性而闻名。它具有热稳定性、化学惰性、机械可配置性、光学透明性，并且通常无毒、惰性且不可燃。

由于它可以与硅形成紧密密封，因此可以集成到 NEMS 中，配置电气和机械特性。与硅相比，聚二甲基硅氧烷的粘附力在不同的潮湿环境下表现更好，摩擦系数更低。

聚二甲基硅氧烷的低摩擦系数和疏水性使其成为 NEMS 研究中的理想材料。由于其省时且制造成本低廉，它也受到 NEMS 技术的关注。

研究表明，适当的包装和良好的老化稳定性可以减缓聚二甲基硅氧烷在光、热和辐射下的降解速率。

2.碳基材料

单壁碳纳米管的扫描隧道显微镜照片|信用：NIST

碳同素异形体，特别是石墨烯和碳纳米管，广泛用于 NEMS 技术。它们的特性直接满足NEMS的要求。例如，碳同素异形体的半导体和金属导电性使其能够作为晶体管工作。

除了碳同素异形体的机械优势外，石墨烯和碳纳米管的电学特性使它们可以用于 NEMS 的多个组件中。石墨烯和碳纳米管的物理强度满足更高的应力要求。因此，它们主要用于NEMS技术开发。

虽然石墨烯 NEMS 可以用作质量和力传感器，但碳纳米管 NEMS 已广泛用于纳米马达（产生皮牛顿数量级的力）、开关和高频振荡器。

3.生物机器

抗癌纳米机器人的插图

生物机器，如肌球蛋白（处理肌肉收缩），是细胞内发现的最复杂的大分子机器，通常以多蛋白复合物的形式存在。

其中一些负责能量生产，一些负责基因表达。它们可能在纳米医学中发挥关键作用。例如，它们可用于检测和破坏肿瘤细胞。

分子纳米技术是纳米技术的一个新兴领域，它探索工程生物机器的可能性，这种机器可以在原子尺度上重新排列物质。 BioNEMS 包括用于生物医学/机器人应用的生物和合成结构元素（纳米级尺寸）。例如，纳米机器人可以注射到体内以识别和修复感染。

虽然提出的 BioNEMS 元素，如纳米机器人和分子组装器，远远超出了目前的能力，但一些研究已经为未来的应用取得了有希望的结果。

阅读：编程的 DNA 纳米机器人可以减少肿瘤

应用

NEMS 作为一种使能技术，以目前微尺度技术不可行的方式将生命科学与工程相结合。它将对各个行业产生重大影响：

半导体行业： 使用最广泛的半导体器件是 MOSFET。它占所有晶体管的 99.9%。考虑到 CPU 或 DRAM 器件中晶体管的栅极长度，集成电路的临界长度尺度已经低于 50 纳米。最新的硅 MOSFET 基于采用 10 nm 和 7 nm 工艺的鳍式场效应晶体管。

汽车： 纳米材料，例如纳米片、纳米纤维纳米管、纳米线和纳米棒，在汽车领域具有多种优势。例如，纳米添加剂可以显着提高轮胎的使用寿命，以及耐磨性、滚动阻力和湿牵引力。 NEMS也是提高未来几代氢动力汽车燃料电池性能的关键。

沟通： 由于独特的机械特性（可实现高谐振频率和高频可调性），NEMS 谐振器，包括石墨烯谐振器，为未来的超快通信系统提供了有希望的基础。然而，该领域的大部分进展目前仅限于理论模型、模拟和实验室实验。

用于压电NEMS谐振器的石墨烯电极|图片来源：东北大学

医疗部门： NEMS 传感器检测和监测患者的数据，例如水位、葡萄糖水平以及各种蛋白质和离子的存在。这些传感器可以配置为识别从人白蛋白到 β-2-微球蛋白的特定蛋白质。除了监测外，它们还可以分离不同大小的细胞，防止微流体系统中的堵塞。

能源储存和生产： 纳米技术有望延长锂离子电池的使用寿命和性能。它还具有提高功率密度、缩短充电时间、减轻重量和尺寸同时提高电池稳定性和安全性的潜力。

此外，正在研究使用纳米级电化学装置（如原电池或燃料电池）来产生能量。它们是生物纳米发电机，可从生物体内的血糖中获取能量（与人体从食物中产生能量的方式相同）。

还研究了几种纳米结构材料，尤其是纳米线，旨在开发比传统平面硅太阳能电池更高效、更廉价的太阳能电池。

全球市场与未来

当前的 NEMS 设备市场还处于起步阶段。细分为纳米镊子、纳米谐振器、陀螺仪、纳米传感器、纳米机器人、纳米镊子等微小部件。

预计未来几年将出现强劲增长，这归功于NEMS的优势，例如其谐振频率高、能耗低、单芯片多频率以及集成电路的尺寸和成本降低。

阅读：什么是 MEMS（微机电系统）？类型及应用

纳米材料和纳米技术领域的研究和开发正在进行中。据报道，全球NEMS市场预计将以29%的复合年增长率增长。到 2022 年将达到 1.0888 亿美元，其中北美领先。

常见问题

MEMS 和 NEMS 有什么区别？

MEMS（微机电系统）由尺寸范围从 1 μm 到 100 μm 的组件组成。 MEMS 设备通常包含一个中央处理单元（如微处理器）和多个与周围环境交互的组件（如微传感器）。

另一方面，NEMS（纳米机电系统）是 MEMS 的下一个逻辑小型化步骤。这些器件在纳米尺度上集成了机械和电气功能，严格在 1 到 100 nm 之间。

NEMS 的主要优势是什么？

NEMS 具有独特而有趣的特性，与其前身 MEMS 大不相同。例如，他们可以有

• 微波范围内的基频（约 100 GHz）
• 飞克范围内的活动质量 (10 ⁻¹⁵ g)
• 质量灵敏度高达阿克级 (10 ⁻¹⁸ g)
• 阿牛顿水平的力灵敏度 (10 ^-18 牛顿）
• 热容量远低于八卡路里 (4.184 x 10 ⁺²⁴ J)
• 功耗约为 10 瓦 (10 ⁻¹⁸ 瓦）
• 低能耗
• 极高的集成度，每平方厘米接近 1,012 个元素

阅读：纳米技术的 14 种不熟悉的用途 |优势与应用

纳米传感器由什么组成？

纳米传感器由纳米管、纳米线等一维纳米材料制成。

这些微型设备可测量体积、浓度、温度、压力或电磁力等物理特性。最常见的纳米传感器读数包括机械、振动、光学或电磁。