NEMS纳米电子机械系统详解：核心特性、材料与应用前景

NEMS（纳米电子机械系统）是在纳米尺度（即100纳米及以下）集成电气和机械功能的器件。

它们是MEMS（微机电系统）之后的高级微型化层级，MEMS通常处理1至100纳米尺寸的组件。

NEMS拥有多项迷人特性：可提供微波频段基频、阿牛顿量级力灵敏度、远低于约卡卡路里的热容、飞克量级有效质量、单分子级别质量灵敏度——不胜枚举。

NEMS主要包含执行器、传感器、谐振器、梁、传感器、马达等装置。这些组件将一种能量形式转换为另一种，便于测量和利用。

NEMS早期案例

首个NEMS由Dawon Kahng和Mohamed M. Atalla于1960年在贝尔实验室制造。是栅极氧化层厚度100nm的MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）。

两年后，他们成功制造出含10nm厚金膜的纳米层基金属-半导体结晶体管。但栅极氧化层10nm的首个MOSFET直到1987年才出现。

MOSFET示意图，显示体（B）、源（S）、栅（G）、漏（D）端子。

1989年多栅MOSFET发明让英特尔、IBM、AMD、三星电子等公司得以制造更小的微处理器和存储单元。

VLSI（超大规模集成）工艺使在单芯片上集成数百万MOS晶体管成为可能。这些集成电路在1970年代广泛采用，推动复杂半导体和通信技术发展。

CPU、GPU、RAM、ROM及其他胶合逻辑均为VLSI器件。VLSI发明前，多数集成电路只能执行有限任务。

80486微处理器（1990年代）含百万级晶体管

MOSFET现被视为现代电子学基石。自1960年代起，它主要推动了集成电路晶体管密度提升、性能改善、功耗降低。

MOSFET也是历史上产量最大的器件之一。截至2018年，约制造了13千万亿（13 sextillion）个MOSFET。

NEMS器件如何制造？

NEMS可用两种互补方法制造：

自上而下法：使用电子束或光刻、热处理等常规微制造技术构建器件。虽对结果结构控制力强，但受技术分辨率限制。

此法起始材料为硅晶体等较大结构。通常用蚀刻半导体层或金属薄膜制造纳米棒、纳米线、图案化纳米结构等NEMS器件。

某些情况下将大块材料粉碎至纳米尺度以增大表面积体积比，最终增强纳米材料反应性。用石墨在电弧炉制造碳纳米管是自上而下法典型例子。

自下而上法：利用分子化学特性将其组织或组装成所需构型。依赖分子识别（两个或多个分子间特异性相互作用）或分子自组装（无外部指导）概念。

虽对制造过程控制有限，但相比自上而下法可构建更小结构且材料浪费少。

自下而上法也存在于自然界。如生物系统利用化学力产生生命所需细胞结构。研究者试图模仿自然这种行为创建特定原子簇自组装成有用结构。

此类方法的好例子是用金属催化聚合技术制造碳纳米管。

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。这种硅酮弹性体以独特性能著称：热稳定、化学惰性、力学可配置、光学透明、总体无毒、惰性、不燃。

因能与硅形成紧密密封，可集成进NEMS，同时配置电气和机械特性。聚二甲基硅氧烷的粘附力在不同湿度环境下表现更好，摩擦系数比硅低。

聚二甲基硅氧烷的低摩擦系数和疏水性使其成为NEMS研究中完美材料。因制造高效廉价，在NEMS技术中受关注度日增。

研究显示，适当封装和良好老化稳定性可减缓聚二甲基硅氧烷在光、热、辐射下的降解速率。

2. 碳基材料

单壁碳纳米管扫描隧道显微镜照片 | 来源：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。其特性直接满足NEMS需求。例如碳同素异形体的半导体和金属导电性使其可作为晶体管工作。

除碳同素异形体的力学优势，石墨烯和碳纳米管的电学性质允许用于NEMS多个组件。石墨烯和碳纳米管的物理强度满足更高应力需求，故在NEMS技术发展中大量应用。

石墨烯NEMS可作质量和力传感器，碳纳米管NEMS广泛用于纳米马达（产生皮牛顿量级力）、开关、高频振荡器。

3. 生物机器

抗癌纳米机器人示意图

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大分子机器，通常以多蛋白复合物形式存在。

部分负责能量生产，部分负责基因表达。它们可能在纳米医学中发挥关键作用。例如可用于检测和摧毁肿瘤细胞。

分子纳米技术是探索工程化生物机器可能性的新兴纳米技术领域，可在原子尺度重排物质。BioNEMS包含纳米尺度生物和合成结构元素，用于生物医学/机器人应用。如纳米机器人可注入体内识别和修复感染。

虽然BioNEMS提议元素（如纳米机器人、分子组装器）远超当前能力，但多项研究为未来应用产出了有希望的结果。

应用

NEMS作为使能技术，以微观技术目前无法实现的方式融合生命科学与工程。将对多个行业产生重大影响：

半导体行业： 最广泛使用的半导体器件是MOSFET，占所有晶体管99.9%。考虑CPU或DRAM器件中晶体管栅长，集成电路关键长度尺度已低于50纳米。最新硅MOSFET基于鳍式场效应晶体管，采用10nm和7nm工艺。

汽车： 纳米材料（纳米片、纳米纤维、纳米管、纳米线、纳米棒）在汽车领域提供多重优势。如纳米添加剂能显著延长轮胎寿命、提高耐磨性、降低滚动阻力、改善湿地抓地力。NEMS也是提升未来氢动力汽车燃料电池性能的关键。

通信： 因独特力学性质（实现高共振频率和高频可调性），NEMS谐振器（含石墨烯谐振器）为未来超高速通信系统提供有希望的基础。但该领域大多进展目前局限于理论模型、仿真和实验室实验。

压电NEMS谐振器石墨烯电极 | 图片来源：东北大学

医疗领域： NEMS传感器检测监测患者数据：水分、葡萄糖水平、各种蛋白质和离子存在。可配置识别从人白蛋白到β2-微球蛋白的特定蛋白。除监测外，还能分离不同尺寸细胞，防止微流体系统堵塞。

能源存储与生产： 纳米技术有望大幅延长锂离子电池寿命和提升性能。也有潜力提高功率密度、缩短充电时间、减轻重量和体积，同时改善稳定性和安全性。

此外，研究正利用纳米电化学器件（如伏打电池或燃料电池）产生能量。它们是生物纳米发电机，从活体血葡萄糖汲取能量（方式同人体从食物获取能量）。

还研究多种纳米结构材料（特别是纳米线），旨在开发比传统平面硅太阳能电池更高效廉价的太阳能电池。

全球市场与未来

NEMS器件市场目前处于起步阶段。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、纳米镊子及其他微小组件。

未来几年预期将见强劲增长，归因于NEMS优势：高共振频率、低能耗、单芯片多频率、集成电路尺寸和成本降低。

纳米材料和纳米技术领域研发正在进行。据报告，全球NEMS市场预计CAGR 29%增长，2022年达1.0888亿美元，北美领跑市场。

常见问题解答

MEMS与NEMS有何区别？

MEMS（微机电系统）由尺寸1μm至100μm的组件构成。MEMS器件通常含中央处理单元（如微处理器）和多个与环境互动的组件（如微型传感器）。

NEMS（纳米机电系统）是MEMS的下一逻辑微型化步骤。这些器件在纳米尺度（严格在1至100nm之间）集成机械和电气功能。

NEMS主要优势是什么？

NEMS拥有独特有趣特性，与前身MEMS大相径庭。例如可具有：

• 微波频段基频（约∼100 GHz）
• 飞克量级有效质量（10⁻¹⁵ g）
• 阿克级质量灵敏度（10⁻¹⁸ g）
• 阿牛顿级力灵敏度（10^-18 牛顿）
• 远低于约卡卡路里的热容（4.184 x 10⁺²⁴ J）
• 10阿瓦量级功耗（10⁻¹⁸ 瓦特）
• 低能量耗散
• 极高集成度，逼近每平方厘米1,012个元件

纳米传感器由什么制成？

纳米传感器由一维纳米材料制成，如纳米管和纳米线。

这些微小器件测量体积、浓度、温度、压力、电和磁力等物理特性。最常见纳米传感器读数包括机械、振动、光学、电磁。