3.4.2. Наноэлектромеханические системы (нэмс)

В отличие от МЭМС-устройств, широко представленных на рынке и используемых в различных областях техники, устройства, произведенные по НЭМС-технологиям, в лучшем случае представлены в виде опытных лабораторных образцов, а то и просто в виде симуляционных моделей, которые еще только предстоит воплотить в реальность. Материалом для изготовления НЭМС-устройств обычно служит кремний, графен или углеродные нанотрубки, а в качестве примеров НЭМС-устройств можно привести высокочастотные осцилляторы (до 10 ГГц), химические сенсоры, наномоторы и модуляторы. На рис. 3.138 представлены увеличенные изображения НЭМС-резонаторов, предназначенных для генераціи высокочастотных колебаний.

а) б)

Рис. 3.138. Увеличенные изображения НЭМС-объектов, изготовленных из монокристаллического кремния: а) наномеханический резонатор; б) набор резонаторов

Как и устройства, произведенные по МЭМС-технологиям, НЭМС-устройства можно разделить на наноактюаторы и наносенсоры. Сенсоры предназначены для регистрации и определения физических параметров широкого круга объектов. Под наноактюаторами понимают наноустройства, преобразующие какой-либо вид энергии в энергию механического перемещения. В зависимости от вида внешнего воздействия и принципа действия наноактюаторы делятся на различные типы. Рассмотрим основные типы наноактюаторов.

Наноактюаторы

Электростатические наноактюаторы, использующие лазер как источник энергии. Исследователи из CCS Inc (США), используя методы молекулярной динамики, создали симуляционную модель пуска наномотора из углерода, активируемого двумя лазерами. Как утверждают ученые, это первая подобная модель с источниками когерентного излучения. Наномотор состоит из двух концентрических графитовых цилиндров (наподобие двух нанотрубок, одна из которых расположена внутри другой) – ротора и статора. При этом к ротору диаметрально противоположно присоединены два электрических заряда. Движение производится благодаря переменному излучению двух лазеров (рис. 3.139).

Рис. 3.139. Модель наномотора, приводимого в движение светом

При симуляционном пуске наноактюатора наблюдаются маятникообразные вращательные движения ротора. Время выхода на синхронную скорость зависит от размера наноактюатора, частоты когерентного излучения и от величины и расположения зарядов. Возможна модель с использованием одного лазера, но, как показали расчеты, двухлазерная система более стабильна и быстрее выходит на синхронную скорость – всего за 40 пикосекунд.

Диэлектрофорезный наноактюатор. Здесь используется притягивание или отталкивание частиц от электродов в сильном неоднородном электростатическом поле. Известно, что при диэлектрофорезе частицы, находящиеся в непроводящей жидкости, оставаясь в целом нейтральными, поляризуются и движутся в неоднородном электростатическом поле. В Калифорнийском университете (США) были проведены эксперименты по перемещению нанотрубок и молекул ДНК посредством диэлектрофореза в водных растворах. Электроды были сделаны из нанотрубок. Промежуток между электродами составлял 10 нм, подаваемое напряжение – порядка 1 В. На концах электродов образовывалось сильное неоднородное электростатическое поле, притягивающее частицы. Нанотрубки-электроды образуют статор, наночастицы в центре – ротор. Если подавать на наноэлектроды переменное напряжение, то наночастица будет вращаться, причем ее положение будет зависеть от величины приложенного к электродам напряжения.

а) б)

Рис .3.140. Диэлектрофорезный наноактюатор

Наноакюатор на эффекте поверхностного натяжения. Физики из США построили первый наноэлектромеханический актюатор, который использует эффекты поверхностного натяжения. Он состоит из двух капель жидкого металла на поверхности углеродных нанотрубок и приводится в движение слабым электромагнитным полем. Известно, что силы поверхностного натяжения играет большую роль при переходе к нанометровому диапазону. Уже в микронных масштабах они играют доминирующую роль, по сравнению с другими силами. Слабое электромагнитное поле может изменять поверхностное натяжение капель жидкости, это и применяется в таких устройствах, как, например, струйные принтеры.

Актюатор, изображенный на рис. 3.141, состоит из «большой» капли жидкого индия диаметром 90 нм и «маленькой» капли диаметром 30 нм. Электрический ток, протекающий по нанотрубке, вызывает миграцию отдельных атомов капель вдоль нанотрубки от капли I к капле II (направление показано стрелкой). Радиус маленькой капли II увеличивается быстрее, чем уменьшается радиус капли I. Процесс длится до тех пор, пока капли не соприкасаются друг с другом. Силы поверхностного натяжения заставляют капли поменяться местами, используя созданный касанием гидродинамический канал. Затем цикл повторяется. Частота перемещения капель зависит от величины постоянного напряжения, приложенного к нанотрубке. В работающем наноактюаторе цикл обмена каплями протекает за 200 пикосекунд при напряжении 1,3 В.

Рис. 3.141. Наноактюатор на основе поверхностного натяжения

Наноактюатор на основе нанотрубок и золотых электродов. Ученые Калифорнийского университета (США) сконструировали действующий электростатический наноактюатор размером в 500 нм (рис. 3.142). Ротор наноактюатора выполнен из золота и закреплен на многослойной нанотрубке. Две нанотрубки, вставленные одна в другую, образуют подшипник. Толщина ротора равна примерно 5 – 10 нм. Два заряженных статора, также как и ротор изготовленные из золота, расположены на кремниевой подложке. Ротор и электроды статора были сформированы с помощью электронно-лучевой литографии. При подаче на электроды постоянного напряжения порядка 50 В, ротор отклонялся примерно на 20 градусов. При подаче переменного напряжения, ротор производил маятникообразные движения, работая как осциллятор.

Рис 3.142. Наноактюатор на основе золотых электродов и нанотрубок