Japanse onderzoekers zijn erin geslaagd de batchgewijze fabricage van zwevende structuren (uitkragingen en bruggen) van monokristallijn diamant voor nano/micro-elektromechanische systemen.

Dr. Meiyong Liao, een senior onderzoeker van Sensor Materials Center, Nationaal Instituut voor Materiaalkunde, samen met zijn collega's, geslaagd in de batchfabricage van hangende structuren (uitkragingen en bruggen) van monokristallijn diamant voor nano/micro-elektromechanische systemen (NEMS/MEMS). Op basis van dit proces, ze bereikten ter wereld de eerste NEMS-schakelaar met één kristaldiamant.

De NEMS-schakelaar heeft de voordelen van een lage lekstroom, laag stroomverbruik en scherpe aan/uit-verhouding in vergelijking met de conventionele halfgeleiderapparaten. De meeste bestaande NEMS/MEMS-switches zijn gebaseerd op silicium of metalen materialen, die de nadelen hebben van slechte mechanische, chemisch, en thermische stabiliteit, slechte betrouwbaarheid en duurzaamheid. Diamant is het ideale materiaal voor NEMS/MEMS vanwege de hoogste elasticiteitsmodulus, mechanische hardheid, warmtegeleiding, en variabele elektrische geleidbaarheid van isolator tot geleider. Echter, vanwege de moeilijk te fabriceren hangende structuren van eenkristaldiamant, de ontwikkeling van NEMS/MEMS-apparaten met één kristaldiamant was een uitdaging.

Het NIMS-onderzoeksteam ontwikkelde een proces voor het vervaardigen van gesuspendeerde monokristallijne diamantstructuren door plaatselijk een grafiet-opofferende laag te vormen in een monokristallijn diamantsubstraat door middel van ionenimplantatie met hoge energie, gevolgd door de groei van een diamanten epilaag met elektrische geleidbaarheid door microgolfplasma chemische dampafzettingsmethode (MPCVD) en de verwijdering van de grafiet-opofferende laag. Als een verdere ontwikkeling van deze techniek, de groep slaagde er ook voor het eerst in om NEMS-schakelapparaten te fabriceren met een transistorachtige structuur bestaande uit 3 elektroden.

De lekstroom van de ontwikkelde diamanten NEMS-schakelaar is erg laag, en het stroomverbruik is minder dan 10pW (picowatt). De apparaten vertonen een hoge reproduceerbaarheid, hoge betrouwbaarheid en geen oppervlaktestiction. Stabiele werking van de diamanten NEMS-schakelaar in een omgeving met hoge temperaturen (250°C) werd ook bevestigd. De Young's modulus van de beweegbare cantileverstructuur werd gemeten als 1100GPa, wat dicht bij de waarde van bulk diamant eenkristallen ligt. Dus, snelle (gigahertz) schakelwerking kan worden verwacht.

In vergelijking met de bestaande MEMS-schakelaars, de diamanten NEMS-schakelaars zullen naar verwachting sterk verbeterde functies vertonen, inclusief betrouwbaarheid, levenslang, snelheid, en elektrische verwerkingscapaciteit, enz. De ontwikkelde apparaten kunnen worden toegepast als microgolfschakelaar voor draadloze communicatie en logische schakelingen van de volgende generatie in ruwe omgevingen. Deze onderzoeksresultaten leggen ook de infrastructuur vast voor diamant NEMS/MEMS met nieuwe functies, de weg vrijmaken voor de ontwikkeling van verschillende chemische, fysiek, en mechanische sensoren.