(Phys.org)-Sedan den första demonstrationen av mikroelektromekaniska system (MEMS) i mitten av 80-talet, tekniken har inte visat sig vara så användbar som ursprungligen förväntat. Ett av problemen är att de små komponenterna tenderar att hålla ihop på grund av starka vidhäftningskrafter på nanoskala, en effekt som ingenjörer kallar "stiction." Nu i en ny studie, forskare föreslår att detta problem kan lösas genom att inducera kvantlivning mellan komponenter, som de visar genom att helt enkelt lägga till en tunn metallisk beläggning på en av de interagerande ytorna.

Forskargruppen, från institutioner i Norge, Australien, och Sverige, har publicerat studien om kvantlivning mellan nanosurfaces i ett nyligen utgåva av Tillämpad fysikbokstäver .

Det konstiga med denna svävning är att den härrör från Casimir-Lifshitz-styrkan, som har den ovanliga egenskapen att vara antingen attraktiv eller motbjudande. Som en typ av van der Waals kraft, det uppstår mellan närliggande partiklar på grund av deras inneboende elektriska egenskaper.

I den här studien, forskarna tittade på Casimir-Lifshitz-kraften som uppstår mellan två kiseldioxidytor i en vätska (antingen brombensen eller toluen). I vanliga fall, denna kraft är attraktiv, men det försvagas när kiseldioxidpartiklarna rör sig längre isär. Denna försvagning kallas retardation, och forskarna fann att de kunde minska avståndet vid vilket retardation sker genom att belägga ett ultratunt lager av guld på en av kiseldioxidytorna.

Denna lilla modifiering förskjuter retardationsregimen från ett separationsavstånd på flera nanometer ner till några nanometer genom att modifiera de dielektriska egenskaperna hos den belagda kiseldioxidytan. Faktiskt, retardation försvagar attraktionen så mycket att kraften blir frånstötande när ytorna separeras med några nanometer eller mer, på ett kritiskt avstånd som kallas levitationsavståndet. Under levitationsavståndet, kraften blir igen attraktiv, medan det över detta avstånd blir alltmer motbjudande upp till en maximal punkt. På ännu större avstånd, avstötningen stabiliseras under maxvärdet.

Möjligheten att kontrollera Casimir-Lifshitz-styrkan är inte helt ny. Forskare har teoretiskt sett känt till dessa effekter sedan 1970 -talet, men bara de senaste framstegen inom nanoteknik har möjliggjort experimentella undersökningar.

”Interaktionen mellan två kiseldioxidföremål i toluen är attraktiv, ”Berättade medförfattaren Bo Sernelius från Linköpings universitet i Sverige Phys.org . "Tidigare studier har visat att om ett av föremålen ersätts av ett fast guldobjekt, interaktionen blir frånstötande för avstånd bortom levitationsavståndet. Således finns det en potentiell barriär som minskar chansen för föremålen att komma nära och hålla sig till varandra. Vi hittade, och det här är nytt, att om vi i stället för att ha ett fast guldföremål hade ett kiseldioxidföremål med en tunn guldbeläggning, levitationsavståndet krympt och barriären blev högre. Chansen att förhindra stiction ökade avsevärt. ”

Genom att förhindra stiction, kvantluftning kan erbjuda ett sätt att förhindra att ytor som används i MEMS och nanoelektromekaniska system (NEMS) kraschar ihop på grund av andra attraktiva van der Waals -krafter som finns mellan dem. Eftersom tjockleken på nanocoating ändrar de dielektriska egenskaperna hos de interagerande ytorna, forskare måste exakt bestämma rätt tjocklek för ett önskat svävningsavstånd. Om tekniken fungerar, det kan ge en välbehövlig vitalisering av områdena MEMS och NEMS.

I framtiden, forskarna planerar att utvidga sina undersökningar till andra material, såsom zinkoxid och hafnia, som används i stor utsträckning i mikroelektriska och mikrooptiska enheter. De har också ett kommande papper (arxiv.org/abs/1206.4852v1) där de undersöker de motbjudande och attraktiva krafterna mellan upphetsade cesiumatomer som är begränsade i en nanokanal, som skiljer sig mycket från dem i fritt utrymme.

”Två cesiumatomer som ligger nära varandra och i ett upphetsat tillstånd kan bilda ovanligt stora molekyler när de befinner sig mellan två guldytor, ”Förklarade medförfattaren Mathias Bostrom från norska tekniska universitetet i Trondheim, Norge, och Australian National University i Canberra, Australien. ”Effekterna av fördröjning för dessa exciterade tillståndsinteraktioner mellan atomer är mycket lik de vi hittade för Casimir-Lifshitz-kraften mellan en guldbelagd kiseldioxidyta och en kiseldioxidyta i toluen. Därför hittade vi långdistansattraktion som förenar atomerna och avstänger kortdistans som möjliggör bundna tillstånd (förhindrar att atomerna kraschar samman, d.v.s. bildar superstora molekyler). ”

Till sist, forskarna planerar att ytterligare undersöka hur kvantlivning kan användas för NEMS -system genom att titta på anisotropa effekter, vilka är de olika egenskaper som uppstår när de är parallella eller vinkelräta mot materialgränssnittet.

”Våra kollegor i Oslo (professor Clas Persson vid universitetet i Oslo och hans team) har beräknat de faktiska optiska egenskaperna hos materialen (den dielektriska funktionen) för tunna guldplåtar som kommer att användas för att undersöka hur anisotropa effekter kan påverka NEMS -system med guld nanocoatings. Det är troligt att intervallet med avstötande krafter (som förhindrar att systemet kraschar tillsammans) kan påverkas i sådana förbättrade beräkningar. Vårt mål är att göra sådana beräkningar i höst. ”

Copyright 2012 Phys.org
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivet eller omfördelat helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.