Japanska forskare har lyckats med satsvis tillverkning av upphängda strukturer (cantilevers och broar) av enkristalldiamant för nano/mikro elektromekaniska system.

Dr Meiyong Liao, en seniorforskare inom Sensor Materials Center, National Institute for Materials Science, samarbetade med sina kollegor, lyckats med satstillverkning av upphängda strukturer (cantilevers och broar) av enkristalldiamant för nano/mikro elektromekaniska system (NEMS/MEMS). Baserat på denna process, de uppnådde i världen den första enkristalldiamant NEMS-omkopplaren.

NEMS-omkopplaren har fördelarna med låg läckström, låg strömförbrukning och skarpt på/av-förhållande i jämförelse med konventionella halvledarenheter. De flesta av de befintliga NEMS/MEMS-omkopplarna är baserade på kisel- eller metallmaterial, som har nackdelarna med dålig mekanisk, kemisk, och termisk stabilitet, dålig tillförlitlighet och hållbarhet. Diamant är det idealiska materialet för NEMS/MEMS på grund av den högsta elastiska modulen, mekanisk hårdhet, värmeledningsförmåga, och variabel elektrisk ledningsförmåga från isolator till ledare. Dock, på grund av det svårt att tillverka upphängda strukturer av enkristall diamant, utvecklingen av enkristall diamant NEMS/MEMS enheter har varit en utmaning.

NIMS -forskargruppen utvecklade en process för att tillverka suspenderade enkristalliga diamantstrukturer genom att lokalt bilda ett grafitofferskikt i ett enkristall diamantsubstrat genom jonimplantation med hög energi, följt av tillväxten av ett diamantepilager med elektrisk ledningsförmåga genom mikrovågsplasma kemisk ångavsättningsmetod (MPCVD) och avlägsnande av grafitofferskiktet. Som en vidareutveckling av denna teknik, gruppen lyckades också för första gången tillverka NEMS-växlingsenheter med en transistorliknande struktur bestående av 3 elektroder.

Läckströmmen för den utvecklade diamant NEMS-switchen är mycket låg, och strömförbrukningen är mindre än 10pW (picowatt). Enheterna uppvisar hög reproducerbarhet, hög tillförlitlighet och ingen ytstickning. Stabil drift av diamant-NEMS-omkopplaren i en miljö med hög temperatur (250°C) bekräftades också. Youngs modul för den rörliga fribärande strukturen mättes till 1100GPa, som ligger nära värdet av bulkdiamant enkelkristaller. Således, höghastighets (gigahertz) omkoppling kan förväntas.

I jämförelse med befintliga MEMS-switchar, diamant NEMS -omkopplarna förväntas visa kraftigt förbättrade funktioner, inklusive tillförlitlighet, livstid, fart, och elektrisk hanteringskapacitet, etc. De utvecklade enheterna kan användas som mikrovågsomkopplare för nästa generations trådlös kommunikation och logikkrets under tuffa miljöer. Dessa forskningsresultat etablerar också infrastrukturen för diamant NEMS/MEMS med nya funktioner, öppnar vägen för utveckling av olika kemikalier, fysisk, och mekaniska sensorer.