Ett långvarigt problem vid utformningen av nanoskala elektromekaniska switchar är tendensen att metall-till-metall-kontakter håller ihop, låsa omkopplaren i ett "på"-läge. MIT elektroteknik doktorand Farnaz Niroui har hittat ett sätt att utnyttja den tendensen att skapa elektroder med nanometer-tunna separationer. Genom att designa en cantilever som kan kollapsa och permanent fästa på en stödstruktur under tillverkningsprocessen, Nirouis process lämnar ett kontrollerbart gap i nanoskala mellan konsolen och elektroderna som gränsar till vidhäftningspunkten.

Niroui, som arbetar i professor Vladimir Bulovićs Organic and Nanostructured Electronics Laboratory (ONE Lab), presenterade sina senaste rön 20 januari vid IEEE Micro Electro Mechanical Systems (MEMS)-konferens i Portugal. MIT -medarbetare inkluderar professorerna Jeffrey Lang i elektroteknik och Timothy M. Swager i kemi. Deras uppsats har titeln "Controlled Fabrication of Nanoscale Gaps Using Stiction."

Stiktion, som permanent vidhäftning kallas, är en mycket viktig utmaning i elektromekaniska system och resulterar ofta i enhetsfel. Niroui vände stiction till sin fördel genom att använda en stödstruktur för att göra nanoskala luckor. "Ursprungligen är cantilever tillverkad med ett relativt större gap som är lättare att tillverka, men då modulerar vi ytvidhäftningskrafterna för att kunna orsaka en kollaps mellan konsolen och stödet. När fribäraren kollapsar, detta gap minskar till bredd mycket mindre än mönstrat, " förklarar hon.

"Vi kan få under 10 nanometer gap, " säger hon. "Det är kontrollerbart eftersom genom att välja designen på konsolen, kontrollera dess mekaniska egenskaper och placeringen av de andra elektroderna, vi kan få luckor som är olika i storlek. Detta är användbart inte bara för vår applikation, som är i tunnling av elektromekaniska omkopplare, men även för molekylär elektronik och kontaktbaserade elektromekaniska omkopplare. Det är ett allmänt tillvägagångssätt för att utveckla luckor i nanoskala. "

Nirouis senaste arbete bygger på hennes tidigare arbete som visar en design för en klämbar strömbrytare - eller "squich" - som fyller det smala gapet mellan kontakterna med ett organiskt molekylärt lager som kan komprimeras tillräckligt tätt för att tillåta ström att tunnla, eller flöde, från en elektrod till en annan utan direktkontakt - "på" -läget - men det kommer att springa tillbaka för att öppna ett gap tillräckligt stort för att ström inte kan flöda mellan elektroderna - "av" -läget. Ju mjukare fyllmaterialet är, desto mindre spänning behövs för att komprimera den. Målet är en lågeffektswitch med repeterbart abrupt switchbeteende som kan komplettera eller ersätta konventionella transistorer.

Niroui designade, tillverkad, testad, och kännetecknad den fribärande omkopplaren i vilken en elektrod är fixerad och den andra rörlig med omkopplingsgapet fyllt med ett molekylärt lager. Hon presenterade sina första resultat vid IEEE MEMS-konferensen i San Francisco förra året i en artikel med titeln, "Nanoelektromekaniska tunnelbrytare baserade på självmonterade molekylära lager." "Vi arbetar just nu med alternativa konstruktioner för att uppnå en optimerad växlingsprestanda, "Säger Niroui.

"För mig, en av de intressanta aspekterna av projektet är det faktum att enheter är designade i mycket små dimensioner, "Niroui tillägger, notera att tunnelgapet mellan elektroderna bara är några få nanometer. Hon använder svepelektronmikroskopi vid MIT Center for Materials Science and Engineering för att avbilda de guldbelagda elektrodstrukturerna och nanogaperna, medan man använder elektriska mätningar för att verifiera effekten av närvaron av molekylerna i omkopplingsgapet.

Bygger sin strömbrytare på en kisel/silkonoxidbas, Niroui lade till ett topplager av PMMA, en polymer som är känslig för elektronstrålar. Hon använde sedan elektronstråle litografi för att mönstra enhetens struktur och tvätta bort överskottet av PMMA. Hon använde en termisk förångare för att belägga switchstrukturen med guld. Guld var det valda materialet eftersom det gör det möjligt för de tiolerade molekylerna att självmonteras i gapet, det sista monteringssteget.

För den första demonstrationen av tunnelström, Niroui använde en färdig molekyl i gapet mellan elektroderna. Arbetet fortsätter med samarbetspartners i Swagers kemilaboratorium för att syntetisera nya molekyler med optimala mekaniska egenskaper för att optimera omkopplingsprestandan.

"Vårt projekt använder den här designen för att ha två metallelektroder med ett enda lager av molekyler i mitten, "Niroui förklarar." Vi använder självmontering av molekyler som gör att gapet kan tillverkas väldigt litet. Genom att välja molekylen och dess egenskaper, såsom molekyllängden, vi kan kontrollera spalttjockleken mycket exakt i regimen på några nanometer. Anledningen till att vi vill ha gapet litet är att det tillåter oss att minska kopplingsspänningen. Ju mindre gapet är, ju mindre omkopplingsspänning och desto mindre energi kommer du att förbruka för att slå på och stänga av din enhet, vilket är mycket önskvärt. "

Molekylerna som fyller gapet fungerar som små fjädrar. När en elektrostatisk kraft appliceras, elektroderna komprimerar fyllmedlet, klämmer ihop alla molekyler. "Dessa molekyler kommer att förhindra att de två metallerna kommer i kontakt. Samtidigt kommer det komprimerade lagret att ge en återställande kraft, så det kommer att undvika det typiska stickproblemet, permanent vidhäftning mellan de två elektroderna, som annars är mycket vanligt i elektromekaniska system, " hon säger.

Tunnel elektromekaniska switchar fungerar genom att kontrollera gapet mellan två metallelektroder som aldrig kommer i direkt kontakt. "Du kommer alltid att ha ett mellanrum mellan de två elektroderna. På grund av gapet, strömmen som du modulerar är tunnelströmmen, säger Niroui.

Niroui testade en version av sin ursprungliga enhet utan ett molekylärt gapfyllmedel och de två elektroderna fastnade omedelbart ihop. Genom att fylla tomrummet, strömspänningstester visade egenskaper som var reproducerbara och repeterbara, så enheterna blev inte korta. "Genom att jämföra med teoretiska modeller, vi observerar att vi får en viss komprimering av molekylerna, och vi extraherar mekaniska egenskaper hos molekyler som matchar vad som rapporteras experimentellt i litteraturen, " säger hon. Medan enheten etablerade proof of concept, förbättringar behövs i fyllnadsmaterialet för praktisk användning.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.