NEMS – Nanoelektromechanische Systeme | Ein einfacher Überblick

NEMS (kurz für NanoElectroMechanical System) sind Geräte, die elektrische und mechanische Funktionen im Nanobereich integrieren, d. h. bei oder unter 100 Nanometern.

Sie sind die fortgeschrittene Miniaturisierungsstufe nach MEMS (MicroElectroMechanical System), die normalerweise mit Komponenten zwischen 1 und 100 Nanometern Größe befasst.

NEMS hat mehrere faszinierende Eigenschaften. Es bietet Zugang zu Grundfrequenzen im Mikrowellenbereich, Kraftempfindlichkeiten auf Attonewton-Niveau, Wärmekapazitäten weit unter einer Yoktokalorie, aktiven Massen im Femtogrammbereich, Massenempfindlichkeit auf der Ebene einzelner Moleküle – die Liste geht weiter.

NEMS enthält hauptsächlich Geräte wie Aktoren, Sensoren, Resonatoren, Balken, Sensoren und Motoren. Diese Komponenten wandeln eine Energieform in eine andere um, die dann leicht gemessen und genutzt werden kann.

Frühe Beispiele für NEMS

Das erste NEMS wurde 1960 von Dawon Kahng und Mohamed M. Atalla in den Bell Labs gebaut. Es war ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) mit einer Gate-Oxid-Dicke von 100 nm.

Zwei Jahre später stellten sie erfolgreich einen Nanoschicht-Basismetall-Halbleiter-Übergangstransistor her, der Goldfilme mit einer Dicke von 10 nm enthielt. Der erste MOSFET mit 10 nm Gate-Oxid kam jedoch erst 1987 auf den Markt.

Eine Illustration eines MOSFET mit den Anschlüssen Body (B), Source (S), Gate (G) und Drain (D).

Die Erfindung von Multi-Gate-MOSFETs im Jahr 1989 ermöglichte es mehreren Unternehmen, darunter Intel, IBM, AMD und Samsung Electronics, immer kleinere Mikroprozessoren und Speicherzellen zu entwickeln.

Der VLSI-Prozess (Very Large Scale Integration) ermöglichte es, Millionen von MOS-Transistoren auf einem einzigen Chip zu kombinieren. Diese integrierten Schaltkreise wurden in den 1970er Jahren weit verbreitet und ermöglichten die Entwicklung komplexer Halbleiter und Kommunikationstechniken.

CPU, GPU, RAM, ROM und andere Glue-Logik sind alles VLSI-Geräte. Vor der Erfindung des VLSI-Prozesses konnten die meisten integrierten Schaltungen nur eine begrenzte Anzahl von Aufgaben ausführen.

80486-Mikroprozessor (aus den 1990er Jahren) mit mehr als einer Million Transistoren 

MOSFET gilt heute als Grundbaustein moderner Elektronik. Es ist seit den 1960er Jahren maßgeblich für die Erhöhung der Transistordichte, die Verbesserung der Leistung und die Reduzierung des Stromverbrauchs integrierter Schaltkreise verantwortlich.

MOSFET ist auch eines der am häufigsten hergestellten Geräte der Geschichte. Bis 2018 wurden etwa 13 Sextillionen (oder 13 Tausend Billionen) MOSFETs hergestellt.

Wie werden NEMS-Geräte hergestellt?

NEMS können mit zwei komplementären Ansätzen hergestellt werden:

Top-down-Ansatz: Es verwendet konventionelle Mikrofertigungstechniken, wie Elektronen- oder Lichtstrahllithographie und thermische Behandlungen, um Geräte zu bauen. Obwohl es eine bessere Kontrolle über die resultierenden Strukturen bietet, ist es durch die Auflösung der verwendeten Technik begrenzt.

Ausgangsmaterialien sind bei diesem Ansatz relativ große Strukturen wie beispielsweise Siliziumkristalle. Im Allgemeinen werden geätzte Halbleiterschichten oder metallische Dünnfilme verwendet, um NEMS-Bauelemente wie Nanostäbe, Nanodrähte und strukturierte Nanostrukturen herzustellen.

In einigen Fällen werden große Materialien bis in den Nanometerbereich zerkleinert, um das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen zu erhöhen, was letztendlich die Reaktivität von Nanomaterialien erhöht. Der Herstellungsprozess von Kohlenstoff-Nanoröhrchen unter Verwendung von Graphit in einem Lichtbogenofen ist ein perfektes Beispiel für einen Top-Down-Ansatz.

Bottom-up-Ansatz: Es nutzt die chemischen Eigenschaften von Molekülen, um sie in der gewünschten Konformation zu organisieren oder zusammenzubauen. Diese Ansätze beruhen auf den Konzepten der molekularen Erkennung (spezifische Interaktion zwischen zwei oder mehr Molekülen) oder der molekularen Selbstorganisation (ohne externe Richtung).

Obwohl es eine begrenzte Kontrolle über den Herstellungsprozess bietet, kann man im Vergleich zu Top-Down-Ansätzen viel kleinere Strukturen bauen, ohne viel Material zu verschwenden.

Der Bottom-up-Ansatz findet sich auch in der Natur. Beispielsweise nutzen biologische Systeme chemische Kräfte, um lebensnotwendige Zellstrukturen zu erzeugen. Forscher versuchen, dieses Verhalten der Natur zu imitieren, um Cluster bestimmter Atome zu erzeugen, die sich selbst zu nützlichen Strukturen zusammenfügen können.

Ein gutes Beispiel für solche Ansätze ist die Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren unter Verwendung einer metallkatalysierten Polymerisationstechnik.

Materialien zur Herstellung von NEMS

1. Polydimethylsiloxan

Polydimethylsiloxan ist das am häufigsten verwendete organische Polymer auf Siliziumbasis. Dieses Silikonelastomer ist für seine einzigartigen Eigenschaften bekannt. Es ist thermisch stabil, chemisch inert, mechanisch konfigurierbar, optisch klar und im Allgemeinen ungiftig, inert und nicht brennbar.

Da es mit Silizium eine dichte Abdichtung bilden kann, kann es in NEMS integriert werden und konfiguriert sowohl elektrische als auch mechanische Eigenschaften. Die Adhäsionskräfte von Polydimethylsiloxan sind in unterschiedlichen feuchten Umgebungen besser und haben einen niedrigeren Reibungskoeffizienten im Vergleich zu Silikon.

Der niedrige Reibungskoeffizient und die Hydrophobie von Polydimethylsiloxan machen es zu einem perfekten Material für die NEMS-Forschung. Aufgrund seiner zeiteffizienten und kostengünstigen Herstellung gewinnt es auch in der NEMS-Technologie an Aufmerksamkeit.

Studien zeigen, dass die Abbaugeschwindigkeit von Polydimethylsiloxan durch Licht, Wärme und Strahlung durch geeignete Verpackung und gute Alterungsstabilität verlangsamt werden kann.

2. Kohlenstoffbasierte Materialien 

Ein Rastertunnelmikroskop-Foto einer einwandigen Kohlenstoffnanoröhre | Bildnachweis:NIST

Kohlenstoffallotrope, insbesondere Graphen und Kohlenstoffnanoröhren, werden in der NEMS-Technologie häufig verwendet. Ihre Eigenschaften erfüllen direkt die Anforderungen von NEMS. Beispielsweise ermöglichen die Halbleiter- und Metallleitfähigkeiten von Kohlenstoffallotropen den Betrieb als Transistoren.

Neben den mechanischen Vorteilen von Kohlenstoffallotropen ermöglichen die elektrischen Eigenschaften von Graphen und Kohlenstoffnanoröhren deren Verwendung in mehreren Komponenten von NEMS. Die physikalische Festigkeit von Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhrchen erfüllt höhere Belastungsanforderungen. Daher werden sie hauptsächlich in der technologischen Entwicklung von NEMS verwendet.

Während Graphen-NEMS als Massen- und Kraftsensoren fungieren können, werden die Kohlenstoff-Nanoröhren-NEMS häufig in Nanomotoren (die Kräfte in der Größenordnung von Pikonewton erzeugen), Schaltern und Hochfrequenzoszillatoren eingesetzt.

3. Biologische Maschinen 

Illustration von krebsbekämpfenden Nanorobotern 

Biologische Maschinen wie Myosin (handhabt die Muskelkontraktion) sind die komplexesten makromolekularen Maschinen, die in Zellen vorkommen, typischerweise in Form von Multi-Protein-Komplexen.

Einige von ihnen sind für die Energieproduktion und andere für die Genexpression verantwortlich. Sie könnten eine entscheidende Rolle in der Nanomedizin spielen. Sie könnten beispielsweise verwendet werden, um Tumorzellen zu erkennen und zu zerstören.

Molekulare Nanotechnologie ist ein aufstrebendes Gebiet der Nanotechnologie, das die Möglichkeit erforscht, biologische Maschinen zu entwickeln, die Materie auf atomarer Ebene neu anordnen könnten. BioNEMS umfasst biologische und synthetische Strukturelemente (von nanoskaliger Größe) für biomedizinische/robotische Anwendungen. Nanoroboter können beispielsweise in den Körper injiziert werden, um Infektionen zu erkennen und zu reparieren.

Obwohl die vorgeschlagenen Elemente von BioNEMS, wie Nanoroboter und molekulare Assembler, die derzeitigen Fähigkeiten bei weitem übersteigen, haben mehrere Studien vielversprechende Ergebnisse für zukünftige Anwendungen geliefert.

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Anwendungen

NEMS dient als Basistechnologie, die Biowissenschaften mit Ingenieurwissenschaften auf eine Art und Weise zusammenführt, die derzeit mit Techniken im Mikromaßstab nicht machbar ist. Es wird erhebliche Auswirkungen auf verschiedene Branchen haben:

Halbleiterindustrie: Das am weitesten verbreitete Halbleiterbauelement ist der MOSFET. Es macht 99,9 % aller Transistoren aus. Betrachtet man die Gate-Länge von Transistoren in CPU- oder DRAM-Bauelementen, liegt die kritische Längenskala integrierter Schaltungen bereits unter 50 Nanometern. Neuere Silizium-MOSFETs basieren auf Finnen-Feldeffekttransistoren, die 10-nm- und 7-nm-Prozesse verwenden.

Automobil: Nanomaterialien wie Nanoblätter, Nanofasern, Nanoröhren, Nanodrähte und Nanostäbe bieten im Automobilsektor mehrere Vorteile. Nano-Additive können beispielsweise die Lebensdauer von Reifen sowie die Abriebfestigkeit, den Rollwiderstand und die Nasshaftung deutlich verbessern. NEMS ist auch der Schlüssel zur Verbesserung der Brennstoffzellenleistung zukünftiger Generationen von wasserstoffbetriebenen Autos.

Kommunikation: Aufgrund einzigartiger mechanischer Eigenschaften (die hohe Resonanzfrequenzen und Hochfrequenz-Abstimmbarkeit ermöglichen) bieten NEMS-Resonatoren, einschließlich Graphen-Resonatoren, eine vielversprechende Grundlage für zukünftige ultraschnelle Kommunikationssysteme. Die meisten Entwicklungen auf diesem Gebiet beschränken sich derzeit jedoch auf theoretische Modelle, Simulationen und Laborexperimente.

Graphenelektrode für piezoelektrische NEMS-Resonatoren | Bildnachweis:Northeastern University 

Medizinischer Sektor: NEMS-Sensoren erkennen und überwachen Patientendaten wie Wasserspiegel, Glukosespiegel und das Vorhandensein verschiedener Proteine ​​und Ionen. Diese Sensoren können so konfiguriert werden, dass sie bestimmte Proteine ​​identifizieren, die von Humanalbumin bis hin zu Beta-2-Mikroglobulinen reichen. Zusätzlich zur Überwachung können sie Zellen unterschiedlicher Größe trennen und so das Verstopfen eines Mikrofluidiksystems verhindern.

Energiespeicherung und -produktion: Nanotechnologie verspricht viel, um die Lebensdauer und Leistung von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen. Es hat auch das Potenzial, die Leistungsdichte zu erhöhen, die Aufladezeit zu verkürzen sowie das Gewicht und die Größe zu reduzieren und gleichzeitig die Stabilität und Sicherheit der Batterien zu verbessern.

Darüber hinaus wird daran geforscht, elektrochemische Geräte im Nanomaßstab wie galvanische oder Brennstoffzellen zur Energieerzeugung einzusetzen. Sie sind Bio-Nano-Generatoren, die Energie aus dem Blutzucker in einem lebenden Körper beziehen (so wie der Körper Energie aus Nahrung erzeugt).

Es wird auch an mehreren nanostrukturierten Materialien, insbesondere Nanodrähten, geforscht, mit dem Ziel, effizientere und kostengünstigere Solarzellen zu entwickeln, als dies mit herkömmlichen planaren Siliziumsolarzellen möglich ist.

Globaler Markt und Zukunft

Der aktuelle Markt für NEMS-Geräte steckt noch in den Kinderschuhen. Es ist in Nanopinzetten, Nanoresonatoren, Gyroskope, Nanosensoren, Nanoroboter, Nanopinzetten und andere winzige Komponenten unterteilt.

In den kommenden Jahren wird ein robustes Wachstum erwartet, das den Vorteilen von NEMS zugeschrieben wird, wie der hohen Resonanzfrequenz, dem niedrigen Energieverbrauch, mehreren Frequenzen auf einem einzigen Chip sowie der Größen- und Kostenreduzierung von integrierten Schaltkreisen

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Forschung und Entwicklung im Bereich Nanomaterialien und Nanotechnologie sind im Gange. Berichten zufolge soll der globale NEMS-Markt mit einer CAGR von 29% wachsen. Bis 2022 wird es 108,88 Millionen US-Dollar erreichen, wobei Nordamerika den Markt anführt.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen MEMS und NEMS?

MEMS (Mikroelektromechanische Systeme) bestehen aus Bauteilen, deren Größe von 1 µm bis 100 µm reicht. MEMS-Geräte enthalten normalerweise eine zentrale Verarbeitungseinheit (wie einen Mikroprozessor) und mehrere Komponenten, die mit der Umgebung interagieren (wie Mikrosensoren).

NEMS (Nanoelectromechanical Systems) hingegen sind der nächste logische Miniaturisierungsschritt von MEMS. Diese Geräte integrieren mechanische und elektrische Funktionen auf der Nanoskala, genau zwischen 1 und 100 nm.

Was sind die Hauptvorteile von NEMS?

NEMS haben einzigartige und interessante Eigenschaften, die stark von ihren Vorgänger-MEMS abweichen. Zum Beispiel können sie haben

• Grundfrequenzen im Mikrowellenbereich (ca. ∼100 GHz)
• Aktive Masse im Femtogrammbereich (10 ⁻¹⁵ g)
• Massenempfindlichkeit bis zu Attogramm-Ebenen (10 ⁻¹⁸ g)
• Kraftempfindlichkeit auf Attonewton-Ebene (10 ^-18 Newton)
• Wärmekapazitäten weit unter einer Yoktokalorie (4,184 x 10 ⁺²⁴ .) J)
• Leistungsaufnahme in der Größenordnung von 10 Attowatt (10 ⁻¹⁸ Watt)
• Geringe Energieverluste
• Extrem hoher Integrationsgrad, annähernd 1.012 Elemente pro Quadratzentimeter

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Woraus bestehen Nanosensoren?

Nanosensoren bestehen aus eindimensionalen Nanomaterialien wie Nanoröhren und Nanodrähten.

Diese winzigen Geräte messen physikalische Eigenschaften wie Volumen, Konzentration, Temperatur, Druck oder elektrische und magnetische Kräfte. Die gebräuchlichsten Nanosensor-Auslesungen umfassen mechanische, vibrierende, optische oder elektromagnetische.