Traditionella kiselbaserade integrerade kretsar finns i många applikationer, från stora dataservrar till bilar till mobiltelefoner. Deras utbredda integration beror delvis på halvledarindustrins förmåga att fortsätta leverera tillförlitlig och skalbar prestanda i årtionden.
Dock, medan kiselbaserade kretsar fortsätter att krympa i storlek i den obevekliga jakten på Moores lag – förutsägelsen att antalet transistorer som kan passa på en integrerad krets fördubblas vartannat år – ökar strömförbrukningen snabbt. Dessutom, konventionell kiselelektronik fungerar inte bra i extrema miljöer som höga temperaturer eller strålning.
I ett försök att upprätthålla utvecklingen av dessa enheter samtidigt som strömförbrukningen minskar, olika forskargrupper letar efter hybrid eller alternativ teknik. Nanoelectromechanical (NEM) switch-teknik är ett alternativ som lovar mycket.
"NEM-switchar består av en nanostruktur (som ett kolnanorör eller nanotråd) som avböjs mekaniskt under elektrostatiska krafter för att skapa eller bryta kontakt med en elektrod, sa Horacio Espinosa, James N. och Nancy J. Farley Professor i tillverkning och entreprenörskap vid McCormick School of Engineering vid Northwestern University.
NEM-omkopplare, som kan utformas för att fungera som en kiseltransistor, kan användas antingen i fristående eller hybrid NEM-kiselenheter. De erbjuder både ultralåg strömförbrukning och en stark tolerans mot höga temperaturer och strålningsexponering.
Med tanke på deras potential, det senaste decenniet har vi sett stor uppmärksamhet kring utvecklingen av både hybrid- och fristående NEM-enheter. Detta decennium av framsteg granskas av Espinosas grupp i det aktuella numret av tidskriften Naturens nanoteknik. Deras granskning ger en omfattande diskussion om potentialen för dessa tekniker, samt de primära utmaningarna i samband med att anta dem.
Till exempel, en långvarig utmaning har varit att skapa uppsättningar av miljontals nanostrukturer, som kolnanorör, som används för att tillverka dessa NEM-enheter. (För perspektiv, modern kiselelektronik kan ha miljarder transistorer på ett enda chip.) Forskarnas granskning beskriver de metoder som hittills demonstrerats för att skapa dessa arrayer, och hur de kan ge en väg till att förverkliga hybrid NEM-CMOS-enheter i massskala.
Liknande, medan enskilda NEM-enheter visar extremt hög prestanda, det har hittills visat sig svårt att få dem att fungera tillförlitligt i miljontals cykler, vilket är nödvändigt om de ska användas i hemelektronik. Granskningen beskriver de olika sätten att misslyckas och beskriver lovande metoder för att övervinna dem.
Ett exempel på de framsteg som underlättar förbättrad robusthet hos NEM-switchteknologier rapporteras i det aktuella numret av Advanced Materials. Här visar Espinosa och hans grupp hur nytt materialval avsevärt kan förbättra robustheten hos både hybrid NEM-CMOS och fristående NEM-enheter.
"NEM-enheter med vanligt använda metallelektroder misslyckas ofta med ett av många olika fellägen efter bara några aktiveringscykler, sade Owen Loh, en doktorand vid Northwestern University och medförfattare till uppsatsen, för närvarande på Intel.
Helt enkelt genom att ersätta metallelektroderna med elektroder gjorda av ledande diamantliknande kolfilmer, gruppen kunde dramatiskt förbättra antalet cykler som dessa enheter tål. Omkopplare som ursprungligen gick sönder efter färre än 10 cykler fungerade nu i 1 miljon cykler utan fel. Detta enkla men effektiva framsteg kan vara ett viktigt steg mot att förverkliga NEM-enheterna vars potential beskrivs i den senaste översynen.
Arbetet som rapporterades i Advanced Materials var ett gemensamt samarbete mellan Northwestern University, Center for Integrated Nanotechnologies vid Sandia National Laboratories, och Center for Nanoscale Materials vid Argonne National Laboratories. Finansiering tillhandahölls av National Science Foundation, arméns forskningskontor, USA:s energidepartement, och Office of Naval Research.
"I sista hand, att förverkliga nästa generations hybrid NEM-CMOS-enheter kommer att möjliggöra fortsatt skalning av elektroniken som driver många system vi möter dagligen, " sa Espinosa. "Samtidigt, det kommer att kräva fortsatt tryck från ingenjören, grundläggande vetenskaper, och materialvetenskapliga gemenskaper."
