لینک پرداخت و دانلود در "پایین مطلب"
فرمت فایل: word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحات:106
سیستم های نانوالکترومکانیک (NEMS) در جوامع علمی و تکنیکی مورد توجه زیادی بوده اند. این دسته از سیستم ها که بسیار شبیه به سیستم های میکروالکترومکانیک هستند در انواع حالات تشدید شده خود با ابعادی در سابمیکرون عمیق عمل می کنند. سیستم در این محدوده، دارای فرکانس های رزونانس بسیار، توده های فعال تحلیل یافته و ثبات نیروی پایداری باشند؛ ضریب کیفیت تشدید این سیستم در رنج Q lo3-105 بسیار بالاتر از دسته دیگر مدارهای تشدیدی الکتریکی می باشند. این سیستم در NEMS برای دسته بسیاری از کاربردهای تکنولوژی مانند سنسور فراسریع، دستگاه راه اندازی، و اجزای پردازش سیگنال مهیا می سازد.
به طور آزمایشی از NEMS انتظار می رود که امکان تحقیق بر فرآیندهای مکانیکی متعادل فونون و واکنش کوانتوم سیستم های مکانیکی مزوسکوپیک را فراهم آورد. با وجود این، هنوز چالش های ریشه ای و تکنولوژیکی برای بهینه سازی NEMS وجود دارد. در این بررسی ما باید مروری بر چشم اندازها و چالش ها در این زمینه یک معرفی متعادل از NEMS را ارائه داده و کاربردهای جالب و آشکارسازی الکترومکانیک را به تصویر می کشیم.
سیستم های نانو الکترومکانیکی (NEMS)، تشدید گرهای مکانیکی با مقیاس نانو – به – میکرو متر می باشند که به ابزار الکترونیکی دارای ابعاد مشابه وصل می شوند. NEMS نوید میکروسکوپ نیروی فراحساس سریع و عمیق شدن فهم ما از چگونگی پیدایش دینامیک کلاسیک با نزدیک شدن به دینامیک کوانتوم می باشد. این پژوهش با یک بررسی از NEMS شروع شده و پس از جنبه های خاص دینامیک کلاسیک آنها را توصیف می کند. مخصوصاً، نشان می دهیم که برای اتصال ضعیف، عمل ابزار الکترونیکی روی تشدیدگرمکانیکی می تواند به طور مؤثر، یک حمام حرارتی باشد در حالیکه ابزار، یک محرک خارج از تعادل سیستم باشد.
1- مقدمه:
محققان با استفاده از مواد و فرآیندهای میکروالکترونیک مدت هاست که کنترل پرتوها، چرخ دنده ها و پوسته های ماشین های میکروسکوپی را انجام داده اند که این عناصر مکانیکی و مدارهای میکروالکترونیکی که آن ها را کنترل می کنند را به طور کل سیستم های میکروالکترومکانیک یا MEMS خوانده اند. در تکنولوژی امروزی MEMS برای انجام اموری در تکنولوژی مدرن مانند باز و بسته کردن دریچه ها، ( سوپاپ ها) چرخاندن آینه ها و تنظیم جریان الکتریسیته و یا جریان نور بکار گرفته می شود. امروزه کمپانی های متعددی از غول های نیمه هادی گرفته تا راه اندازی های کوچک می خواهند ابزار MEMS را برای طیف گسترده ای از مشتریان تولید کنند. با تکنولوژی میکروالکترونیک که هم اکنون تا حد ریز میکرون پیش رفته است زمان آن رسیده که کشفیات متمرکز NEMS را آغاز کنیم.
شکل 1 خانوادة NEMS نیمه رسانا را نشان داده و مراحل تولید ساخت کلی آن را مطرح می کند. این فرآیند برای طراحی آزادانه ساختارهای نیمه رسانای نانومتر به عنوان نانوماشین سطحی می باشدکه نقطة مخالف میکروماشین بالک MEMS می باشد این تکنیک ها برای سیلکون بر ساختارهای عایق، گالیوم آرسناید روی سیستم های آلومینیوم گالیوم، کاربید سیلکون برسیلیکون، نیترید آلومینوم بر سیلیکون، لایه های الماس نانو بلوری و لایه های نیترید سیلکون نامنظم بکار گرفته می شود. اکثر این مواد با درجه خلوص زیاد وجود دارد که با کنترل دقیق ضخامت لایه ای رشد کرده اند.
این قسمت دوم (کیفیت کنترل لایه ای) کنترل ابعادی در بعد عمودی در سطح تک لایه ای را کنترل می کند. این مقوله کاملا منطبق با دقت ابعادی جانبی لیتوگرافی پرتوالکترونی است که به مقیاس اتمی نزدیک می شود.
NEMS دارای ویژگی های چشمگیری می باشد. آن ها دسترسی به فضای پارامتری را که غیر پیش بینی است را فراهم می کنند؛ فرکانس های مقاومت تشدیدی در میکرویو، ضریب کیفیت مکانیکی در دهها هزار، توده های فعال در femtogram، ظرفیت گرمایی پایین تر از یوکتوکالری و ...
این ویژگی ها تصورات و سیل افکار برای تجربیات و آزمایشات هیجان انگیز را بوجود می آورد و در عین حال تعداد زیادی سؤالات غیرقابل پیش بینی و نگرهایی های بیشماری را نیز بدنبال دارد از جمله این سؤالات: چگونه مبدل ها در مقیاس نانو مشخص می شوند؟ چگونه ویژگی های سطحی کنترل می گردد؟ ویژگی های پارامتر NEMS با هر اندازه و مقیاسی گسترده می باشند. کسانی که می خواهند نسل بعدی NEMS را توسعه دهند باید به سمت آخرین کشفیات فیزیک و علوم مهندسی در جهات مختلف سوق بیابند. این بازنگری در چهار قسمت اصلی ذکر شده است. در دو بخش بعدی ما سعی می کنیم یک معرفی متعادل از NEMS را ارائه دهیم. ما نه تنها ویژگی های جالب و مورد توجه NEMS را مورد بحث و بررسی قرار می دهیم بلکه یک مرور کلی بر چالش های اساسی و تکنولوژیکی را ارائه خواهیم داد.
همچنان که به بخش های بعدی نزدیک می شویم، معلوم می شود که کدام یک از این چالش ها از طریق مهندسی سیستماتیک قابل بحث و بررسی است. در بخش چهارم این تحقیق، یکی از کاربردهای ضروری NEMS را که آشکارسازی نانوالکترومکانیک فراحسی می باشد تحت مطالعه قرار می دهیم. در بخش پنجم پروژه ها را ارائه خواهیم داد.
یک سیستم نانو الکترومکانیک (NEMS) از یک تشدیدگر مکانیکی با درجه بندی نانومتر –به- میکرومتر تشکیل می شود که به یک ابزار الکترونیک دارای ابعاد قابل قیاس مزدوج می شود ، تشدیدگر مکانیکی می تواند یک شکل هندسی ساده داشته باشد مثل یک طرّه یا یک پل و از موادی مثل سیلیکون با استفاده از تکنیک های لیتوگرافی مشابه به نمونه های به کار رفته برای ساختن مدارهای ترکیبی ساخته می شوند. به خاطر اندازه میکروشان، تشدیدگرهای مکانیکی می توانند با فرکانس هایی در محدوده چند مگاهرتز تا حدود یک گیگا هرتز نوسان داشته باشند. ما به طور نرمال، به ایده نوسان سیستم های مکانیکی در چنین فرکانس های رادیویی – به- میکروویو، عادت نمی کنیم.
اتصال به ابزار الکترونیک به شیوه الکترو استاتیکی بومی با بکار گیری یک ولتاژ به یک لایه فلزی گذاشته شده روی سطح تشدیدگر مکانیکی انجام می شود. یک نمونه از یک ابزار الکترونیک تزویجی، یک ترانزیستورتک الکترونی (SET) است که در شکل 1 نشان داده شده است. کوانتوم الکترون ها، هر کدام در یک زمان از عرض ترانزیستور از الکترود درین به الکترود سورس که توسط یک ولتاژ درین- سورس Vds تحریک می شود تشکیل کانال می دهند.
بزرگی کانال دردرین به ولتاژ اعمال شده به الکترود گیت سوم (ولتاژ گیت ) بستگی دارد. چون تشدیدگر مکانیکی بخشی از الکترود گیت را تشکیل می دهد، حرکت تشدیدگر ولتاژ گیت را تغییر می دهد و از این رو جریان کانال درین سورس بعد از تقویت آشکار می گردد؟
با فرکانس های بالا و جرم های اینرسی کوچک تشدیدگرهای نانومکانیکی همراه با قابلیت های شناسایی جابجایی مکانیکی فراحساس ابزارهای الکترونیک مکانیکی،به نظر می رسد NEMS گرایش زیادی به مترولوژی نشان می دهد.
یک زمینه کاربرد ممکن، میکروسکوپ نیرو است که در آن نوک پایه روی یک سطح را جاروب می کند و جابجایی های پایه با حرکت نوک پایه روی سطح اندازه گیری می شوند و یک نقشه توپوگرافی نیرو را ایجاد می کنند. میکروسکوپ نیروی تشدید مغناطیسی (MRFM) مزیت خاصی دارد که یک نوک پایه فرومغناطیسی را بکار برده و نقشه برداری از الکترون جفت نشده و چگالی های چرخش هسته ای در سطح و زیر سطح انجام می شود. اخیراًٌ ، حساسیت های آشکار سازی چرخش تک الکترون بدست آمده است [12و11]، کاربردهای بالقوه در تعیین خصوصیات در سطح تک مولکولی یا اتمی، زیاد هستند و با کاربرد ابزارهای MRFM و NEMS طراحی شده مناسب کوچکتر، فرکانس های مکانیکی بالاتر ممکن است منجر به زمان های بازخوانی سریعتر در میزان حساسیت های معادل یا بهتر شوند.
کاربرد دیگر، حس کننده جرم است که در آن ذرات کوچک جرم مستقل به تشدیدگر نانومکانیکی از تغییر فرکانس ارتعاشی، تعیین می شوند. اخیراً، میزان حساسیت شناسایی اتوگرام ( 10=اتو ) به دست آمده است[14و13].
با کاربرد فرکانس طراحی شده مناسب بالاتر NEMS ، شناسایی مولکولهای انفرادی در حساسیت های تک دالتونی ممکن است.( یک دالتون برابراست با و 12/1 ماده در یک c12 اتم)
NEMS در جای خود به عنوان سیستم های دینامیک مهم جالب است. به خاطر جرم اینرسی تشدیدگر نانو مکانیکی و اتصال الکترو استاتیکی قوی به ابزار الکترونیک ترکیبی دقیق حاصل شده، الکترون های انفرادی که در ابزار الکترونیک حرکت می کنند می توانند نیروهای جابجایی بزرگی به تشدیدگر مکانیکی وارد کنند.
شکل a .1) تصویری که عملیات آشکار ساز جابجایی SET را نشان می دهد. سطوح انرژی باردار مشخص هزینه انرژی ناشی از تغییردرانرژی میدان الکتریکی ذخیره شده به صورت یک یا چند الکترون را نشان می دهد که برسطح داخلی تونل سازی می شود و گسستگی سطوح اثر کوانتومی نیست بلکه هزینه افزایش انرژی در قراردادن فزاینده تعداد الکترون های روی سطح در همان زمان استb) ریزنگار میکروسکوپ الکترون پویشی (SEM) رنگی کاذب دو پرتو کنار هممعلق و SEM را نشان می دهد. ماده اصلی و پرتو از GaAs (مناطق آبی) می باشد و الکترودهای گیت پرتو و SET لایه های نازک آلومینیوم (منطقه زرد) با اکسید آلومینیم است که مانع های تونل را تشکیل می دهد. پرتو 0/25 µm دور از سطح الکترود قرار دارد . فرکانس موجی بنیادی سنجیده شده برای حرکت در سطحMHZ 116 است.
در عوض، حرکت تشدیدگر روی جریان الکترون و ... تأثیر می گذارد. در دماهای بالا، ابزار الکترونیکی خاص می توانند به یک شیوه منطقی کوانتومی رفتار کنند که دریک مکان کوانتومی دارای موقعیت های متفاوت، هنگامی که الکترونها از طریق قطعه انتقال می یابند،
مقاله سیستم های نانوالکترومکانیک NEMS
