纳米机电系统

纳米机电系统（NEMS）是一类在纳米级集成了电气和机械功能的设备。纳米机电系统由所谓的微机电系统或纳米机电系统器件构成了下一步的逻辑小型化步骤。NEMS通常将类似于晶体管的纳米电子器件与机械致动器、泵或电动机集成在一起，从而可以形成物理、生物和化学传感器。该名称源自纳米范围内的典型器件尺寸，从而导致低质量，高机械共振频率以及潜在的大量子力学效应（例如零点运动），以及高的表面体积比，可用于基于表面的传感机制。应用包括加速度计和传感器，以检测空气中的化学物质。

纳米机电系统技术的许多常用材料都是碳基材料，特别是金刚石、碳纳米管和石墨烯。这主要是由于直接满足纳米机电系统需求的碳基材料的有用特性。碳的机械性能（例如大的杨氏模量）对于NEMS的稳定性至关重要，而碳基材料的金属和半导体电导率则使其能够充当晶体管。

石墨烯和金刚石都表现出高杨氏模量、低密度、低摩擦、极低的机械耗散和较大的表面积。碳纳米管的低摩擦力，使得轴承几乎无摩擦，因此一直是碳纳米管作为纳米机电系统的构成元素（如纳米电机、开关和高频振荡器）的实际应用的巨大动力。碳纳米管和石墨烯的物理强度使碳基材料能够满足更高的应力要求，而普通材料通常会失效，因此进一步支持了它们作为NEMS技术开发中的主要材料。

除了碳基材料的机械优势外，碳纳米管和石墨烯的电性能还使其可用于NEMS的许多电子组件中。已经为碳纳米管和石墨烯开发了纳米晶体管。晶体管是所有电子设备的基本组成部分之一，因此，通过有效开发可用的晶体管、碳纳米管和石墨烯对NEMS至关重要。

纳米机械谐振器通常由石墨烯制成。随着纳米机电系统谐振器尺寸的缩小，总的趋势是质量因数与表面积与体积之比成反比。然而，尽管面临这一挑战，但已通过实验证明它达到了高达2400的品质因数。品质因数描述了谐振器振动音调的纯度。此外，从理论上已经预测，在所有侧面夹持石墨烯膜可产生更高的质量数。石墨烯NEMS还可以用作质量、力和位置传感器。

碳纳米管（CNT）是具有圆柱形纳米结构的碳的同素异形体。它们可以认为是石墨烯。当以特定和离散（“ 手性 ”）角度滚动时，滚动角度和半径的组合决定了纳米管是否具有带隙（半导体）或无带隙（金属）。

金属碳纳米管还可以用于纳米电子互连，因为它们可以承载高电流密度。这是有用的属性，因为用于传输电流的电线是任何电气系统的另一个基本组成部分。碳纳米管在纳米机电系统中的用途特别广泛，因此已经发现了将悬浮的碳纳米管连接到其他纳米结构的方法。这允许碳纳米管形成复杂的纳米电系统。由于可以对碳基产品进行适当的控制，并且可以充当互连以及晶体管，因此它们是NEMS电气组件中的基本材料。

与NEMS开关相比，MEMS开关的主要缺点是MEMS的微秒范围切换速度有限，这会妨碍高速应用的性能。通过将器件从微米级缩小到纳米级，可以克服对开关速度和驱动电压的限制。将基于碳纳米管（CNT）的NEMS开关与其对应的CMOS的性能参数进行比较，发现基于CNT的NEMS开关在较低的能耗水平下仍保持性能，并且亚阈值泄漏电流比其小几个数量级。 CMOS开关。具有双钳位结构的基于CNT的NEMS作为浮栅非易失性存储器应用的潜在解决方案正在得到进一步研究。

石墨烯的机械和电子性能使其非常适合集成到NEMS加速度计中，例如用于心脏监测系统和移动运动捕捉的小型传感器和执行器。石墨烯的原子尺度厚度为加速度计从微米尺度缩小到纳米尺度提供了一条途径，同时保持了系统所需的灵敏度水平。

通过在双层石墨烯碳带上悬挂耐硅材料，可以制造出具有加速度计中当前生产的传感器功能的纳米级弹簧质量和压阻传感器。弹簧质量提供了更高的精度，并且石墨烯的压阻特性将应变从加速度转换为加速度计的电信号。悬浮的石墨烯带同时形成弹簧和压阻传感器，从而有效利用空间，同时改善了NEMS加速度计的性能。

高粘附力和摩擦引起的失效是许多NEMS所关注的问题。由于具有很好的微加工技术，NEMS经常使用硅。但是，其固有的刚度通常会妨碍带有活动部件的设备的功能。

俄亥俄州立大学研究人员进行的一项研究比较了具有天然氧化物层的单晶硅与PDMS涂层的附着力和摩擦参数。PDMS是一种有机硅弹性体，具有很高的机械可调性、化学惰性、热稳定性、可透气性、透明、无荧光、生物相容性和无毒性。通过控制聚合物链的交联程度，PDMS的杨氏模量可以在两个数量级范围内变化，这使其成为NEMS和生物学应用中的可行材料。PDMS可以与硅形成紧密的密封，因此可以轻松地集成到NEMS技术中，从而优化机械和电气性能。像PDMS这样的聚合物由于价格相对便宜，简化且省时的原型制作和制造而开始在NEMS中引起关注。

休息时间的特征是与粘附力直接相关，相对湿度的增加导致亲水性聚合物的粘合力增加。接触角的测量和拉普拉斯力的计算支持了PDMS疏水性的表征，该特性有望与其相对于相对湿度的实验验证无关。PDMS的粘合力也不受静止时间的影响，能够在变化的相对湿度条件下通用地发挥作用，并且其摩擦系数低于硅树脂。PDMS涂层有助于缓解高速问题，例如防止滑动。因此，即使在相当高的速度下，接触表面上的摩擦仍然保持较低。实际上，在微观上，摩擦随着速度的增加而减小。

PDMS在NEMS技术中经常使用。例如，隔膜上的PDMS涂层可用于氯仿蒸气检测。

新加坡国立大学的研究人员发明了一种聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂层的纳米机电系统隔膜，该隔膜嵌入了硅纳米线（SiNWs），可在室温下检测氯仿蒸气。在存在氯仿蒸气的情况下，微隔膜上的PDMS膜会吸收蒸气分子并因此增大，从而导致微隔膜变形。植入微隔膜中的SiNW在惠斯通电桥中连接，从而将变形转化为定量的输出电压。此外，微膜片传感器还展示了低功耗下的低成本处理。它具有可扩展性，超紧凑的尺寸和CMOS-IC工艺兼容性的巨大潜力。通过切换吸收蒸气的聚合物层，

除了在材料部分中讨论的内在特性外，PDMS还可以用于吸收氯仿，氯仿的作用通常与微隔膜的膨胀和变形有关。在这项研究中还测量了各种有机蒸气。具有良好的老化稳定性和适当的包装，可以减慢PDMS响应热，光和辐射的降解速度。

当前阻碍许多NEMS设备商业应用的主要障碍包括低产量和高设备质量可变性。在实际实施NEMS设备之前，必须创建碳基产品的合理集成。金刚石已朝着这个方向迈出了最新一步，达到了与硅相当的加工水平。当前的重点是从实验工作转移到将实现这种新颖设备并从中受益的实际应用和设备结构。要克服的下一个挑战包括了解这些碳基工具的所有特性，并利用这些特性制造出具有低故障率的高效耐用的NEMS。

碳基材料因其出色的机械和电气性能而成为NEMS的主要材料。

• 纳米机电继电器
• 纳米机电系统质谱仪
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加州理工学院的研究人员开发了一种基于NEM的悬臂，具有高达甚高频（VHF）的机械共振。结合基于压阻金属薄膜的电子位移传感器有助于实现毫不含糊且高效的纳米器件读数。使用针对目标物质具有高分配系数的薄聚合物涂层对设备表面进行功能化，使基于NEMS的悬臂能够在室温下提供化学吸附测量，且质量分辨率小于1埃。基于NEMS的悬臂的其他功能已被用于传感器，扫描探针和在非常高的频率（100 MHz）下运行的设备的应用。