Traditionele op silicium gebaseerde geïntegreerde schakelingen worden in veel toepassingen aangetroffen, van grote dataservers tot auto's tot mobiele telefoons. Hun wijdverbreide integratie is deels te danken aan het vermogen van de halfgeleiderindustrie om decennialang betrouwbare en schaalbare prestaties te blijven leveren.

Echter, terwijl op silicium gebaseerde circuits in omvang blijven krimpen in de meedogenloze achtervolging van de wet van Moore - de voorspelling dat het aantal transistors dat op een geïntegreerde schakeling past elke twee jaar verdubbelt - stijgt het stroomverbruik snel. In aanvulling, conventionele siliciumelektronica functioneert niet goed in extreme omgevingen zoals hoge temperaturen of straling.

In een poging om de opmars van deze apparaten te ondersteunen en tegelijkertijd het stroomverbruik in te dammen, diverse onderzoeksgemeenschappen zijn op zoek naar hybride of alternatieve technologieën. Nano-elektromechanische (NEM) schakeltechnologie is een optie die veelbelovend is.

"NEM-schakelaars bestaan ​​uit een nanostructuur (zoals een koolstofnanobuis of nanodraad) die mechanisch afbuigt onder elektrostatische krachten om contact te maken of te verbreken met een elektrode, " zei Horacio Espinosa, James N. en Nancy J. Farley Professor in productie en ondernemerschap aan de McCormick School of Engineering aan de Northwestern University.

NEM-schakelaars, die kan worden ontworpen om te functioneren als een siliciumtransistor, kan zowel in standalone als hybride NEM-siliciumapparaten worden gebruikt. Ze bieden zowel een ultralaag stroomverbruik als een sterke tolerantie voor hoge temperaturen en blootstelling aan straling.

Gezien hun potentieel, het afgelopen decennium is er veel aandacht geweest voor de ontwikkeling van zowel hybride als stand-alone NEM-apparaten. Dit decennium van vooruitgang wordt beoordeeld door de groep van Espinosa in het huidige nummer van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie. Hun overzicht biedt een uitgebreide bespreking van het potentieel van deze technologieën, evenals de belangrijkste uitdagingen die gepaard gaan met de adoptie ervan.

Bijvoorbeeld, een langdurige uitdaging was het creëren van arrays van miljoenen nanostructuren, zoals koolstof nanobuisjes, die worden gebruikt om deze NEM-apparaten te maken. (Voor perspectief, moderne siliciumelektronica kan miljarden transistors op een enkele chip hebben.) De recensie van de onderzoekers beschrijft de methoden die tot nu toe zijn gedemonstreerd om deze arrays te maken, en hoe ze een pad kunnen bieden om hybride NEM-CMOS-apparaten op grote schaal te realiseren.

evenzo, terwijl individuele NEM-apparaten extreem hoge prestaties leveren, het is tot nu toe moeilijk gebleken om ze betrouwbaar te laten werken voor miljoenen cycli, die nodig zijn als ze worden gebruikt in consumentenelektronica. De review beschrijft de verschillende faalwijzen en beschrijft veelbelovende methoden om deze te overwinnen.

Een voorbeeld van de vooruitgang die verbeterde robuustheid van NEM-schakeltechnologieën mogelijk maakt, wordt vermeld in het huidige nummer van Advanced Materials. Hier laten Espinosa en zijn groep zien hoe nieuwe materiaalselectie de robuustheid van zowel hybride NEM-CMOS als standalone NEM-apparaten aanzienlijk kan verbeteren.

"NEM-apparaten met veelgebruikte metalen elektroden falen vaak door een van de verschillende faalwijzen na slechts enkele activeringscycli, " zei Owen Loh, een promovendus aan de Northwestern University en co-auteur van het artikel, momenteel bij Intel.

Simpelweg door de metalen elektroden te vervangen door elektroden gemaakt van geleidende diamantachtige koolstoffilms, de groep was in staat om het aantal cycli dat deze apparaten doorstaan ​​drastisch te verbeteren. Schakelaars die oorspronkelijk na minder dan 10 cycli uitvielen, werkten nu 1 miljoen cycli zonder storing. Deze gemakkelijke maar effectieve vooruitgang kan een belangrijke stap zijn in de richting van het realiseren van de NEM-apparaten waarvan het potentieel in de recente beoordeling wordt geschetst.

Het werk gerapporteerd in Advanced Materials was een gezamenlijke samenwerking tussen Northwestern University, het Centrum voor Geïntegreerde Nanotechnologieën bij Sandia National Laboratories, en het Center for Nanoscale Materials bij Argonne National Laboratories. Financiering werd verstrekt door de National Science Foundation, het onderzoeksbureau van het leger, Het Amerikaanse ministerie van Energie, en het Bureau voor Naval Research.

"Uiteindelijk, het realiseren van hybride NEM-CMOS-apparaten van de volgende generatie zal voortdurende schaalvergroting mogelijk maken van de elektronica die tal van systemen aandrijft die we dagelijks tegenkomen, "zei Espinosa. "Tegelijkertijd, het zal voortdurende druk van de engineering vereisen, basiswetenschappen, en materiaalwetenschappelijke gemeenschappen."