纳机电系统

纳机电网 (NEMS) 是一类在纳米尺度上集成电气和机械功能的设备。NEMS 构成了所谓的微机电系统或 MEMS 设备的下一个合乎逻辑的小型化步骤。

NEMS 通常将类似晶体管的纳米电子器件与机械致动器、泵或电机集成在一起，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设备尺寸，导致低质量、高机械共振频率、潜在的大量子力学效应（如零点运动）以及可用于基于表面的传感机制的高表面体积比。应用包括用于检测空气中化学物质的加速度计和传感器。

1960 年，贝尔实验室制造了第 一个栅极氧化层厚度为 100 nm 的 MOSFET。

1962 年，Atalla 和 Kahng 使用厚度为 10 nm 的金 (Au) 薄膜制造了纳米层-基底金属-半导体结（M-S 结）晶体管。

1987 年，Bijan Davari 带领 IBM 研究团队展示了xxx个氧化层厚度为 10 纳米的 MOSFET。从 FinFET 开始，多栅极 MOSFET 支持将通道长度缩小到 20 nm 以下。

2000 年，IBM 的研究人员展示了xxx个超大规模集成 (VLSI) NEMS 设备。它的前提是一系列 AFM 尖端，可以加热/感应可变形基板，以用作存储设备。Stefan de Haan 描述了更多的装置。

NEMS 的一个关键应用是原子力显微镜尖端。 NEMS 实现的更高灵敏度导致更小、更高效的传感器来检测原子级的应力、振动、力和化学信号。 AFM 尖端和其他纳米级检测在很大程度上依赖于 NEMS。

可以找到制造 NEMS 的两种互补方法。 自上而下的方法使用传统的微细加工方法，即光学、电子束光刻和热处理来制造设备。 虽然受到这些方法分辨率的限制，但它允许对生成的结构进行很大程度的控制。 以这种方式，诸如纳米线、纳米棒和图案化纳米结构的器件由金属薄膜或蚀刻的半导体层制成。 对于自上而下的方法，增加表面积与体积比可增强纳米材料的反应性。

相反，自下而上的方法利用单分子的化学特性使单分子成分自组织或自组装成一些有用的构象，或依赖于位置组装。 这些方法利用分子自组装和/或分子识别的概念。 这允许制造更小的结构，尽管通常以对制造过程的有限控制为代价。 此外，虽然自上而下的方法从原始结构中移除了残留材料，但自下而上的方法移除或浪费的材料最少。

也可以使用这些方法的组合，其中纳米级分子被集成到自上而下的框架中。 一个这样的例子是碳纳米管纳米马达。

许多用于 NEMS 技术的常用材料都是碳基材料，特别是金刚石、碳纳米管和石墨烯。这主要是因为碳基材料的有用特性直接满足了NEMS的需求。碳的机械性能（例如大杨氏模量）是 NEMS 稳定性的基础，而碳基材料的金属和半导体电导率使其可以用作晶体管。

石墨烯和金刚石都表现出高杨氏模量、低密度、低摩擦、极低的机械耗散和大表面积。 CNT 的低摩擦性允许几乎无摩擦的轴承，因此成为将 CNT 作为 NEMS 中的组成元素实际应用的巨大动力。