Een al lang bestaand probleem bij het ontwerpen van elektromechanische schakelaars op nanoschaal is de neiging van metaal-op-metaal contacten om aan elkaar te plakken, het vergrendelen van de schakelaar in een "aan" positie. MIT-student elektrotechniek Farnaz Niroui heeft een manier gevonden om gebruik te maken van die neiging om elektroden te maken met nanometer-dunne scheidingen. Door een uitkraging te ontwerpen die tijdens het fabricageproces kan instorten en permanent aan een steunstructuur kan hechten, Niroui's proces laat een controleerbare opening op nanoschaal achter tussen de cantilever en de elektroden die grenzen aan het hechtingspunt.

Niroui, die werkt in het Organic and Nanostructured Electronics Laboratory (ONE Lab) van professor Vladimir Bulović, presenteerde haar meest recente bevindingen op 20 januari op de IEEE Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) Conference in Portugal. MIT-medewerkers zijn onder meer professoren Jeffrey Lang in elektrotechniek en Timothy M. Swager in scheikunde. Hun paper is getiteld "Controlled Fabrication of Nanoscale Gaps Using Stiction."

Stijfheid, zoals permanente hechting wordt genoemd, is een zeer belangrijke uitdaging in elektromechanische systemen en leidt vaak tot apparaatstoringen. Niroui draaide stiction in haar voordeel door een ondersteunende structuur te gebruiken om gaten op nanoschaal te maken. "Aanvankelijk is de cantilever gefabriceerd met een relatief grotere opening die gemakkelijker te fabriceren is, maar dan moduleren we de oppervlakteadhesiekrachten om een ​​instorting tussen de cantilever en de ondersteuning te kunnen veroorzaken. Als de cantilever instort, deze opening verkleint tot een breedte die veel kleiner is dan het patroon, " ze legt uit.

"We kunnen gaten van minder dan 10 nanometer krijgen, " zegt ze. "Het is controleerbaar omdat door het ontwerp van de cantilever te kiezen, het regelen van de mechanische eigenschappen en de plaatsing van de andere elektroden, we kunnen gaten krijgen die in grootte verschillen. Dit is niet alleen nuttig voor onze toepassing, dat is in het tunnelen van elektromechanische schakelaars, maar ook voor moleculaire elektronica en contactgebaseerde elektromechanische schakelaars. Het is een algemene benadering om hiaten op nanoschaal te ontwikkelen."

Niroui's nieuwste werk bouwt voort op haar eerdere werk en toont een ontwerp voor een samenknijpbare schakelaar - of "squitch" - die de nauwe opening tussen contacten opvult met een organische moleculaire laag die stevig genoeg kan worden samengedrukt om stroom te tunnelen, of stroom, van de ene elektrode naar de andere zonder direct contact - de "aan" -positie - maar die zal terugveren om een ​​opening te openen die breed genoeg is zodat er geen stroom tussen de elektroden kan vloeien - de "uit" -positie. Hoe zachter het vulmateriaal is, hoe minder spanning er nodig is om het te comprimeren. Het doel is een low-power schakelaar met herhaalbaar abrupt schakelgedrag die conventionele transistors kan aanvullen of vervangen.

Niroui ontworpen, gefabriceerd, getest, en gekenmerkt door de vrijdragende schakelaar waarin de ene elektrode is vastgezet en de andere beweegbaar, waarbij de schakelopening is gevuld met een moleculaire laag. Ze presenteerde haar eerste bevindingen vorig jaar op de IEEE MEMS-conferentie in San Francisco in een paper getiteld:"Nano-elektromechanische tunnelingschakelaars op basis van zelf-geassembleerde moleculaire lagen." "We werken nu aan alternatieve ontwerpen om een ​​geoptimaliseerde schakelprestatie te bereiken, ' zegt Niroui.

"Voor mij, een van de interessante aspecten van het project is het feit dat apparaten in zeer kleine afmetingen zijn ontworpen, " Niroui voegt toe, opmerkend dat de tunnelopening tussen de elektroden slechts enkele nanometers is. Ze gebruikt scanning-elektronenmicroscopie bij het MIT Center for Materials Science and Engineering om de met goud beklede elektrodestructuren en de nanogaps in beeld te brengen, tijdens het gebruik van elektrische metingen om het effect van de aanwezigheid van de moleculen in de schakelopening te verifiëren.

Haar schakelaar bouwen op een basis van silicium/siliciumoxide, Niroui heeft een toplaag van PMMA toegevoegd, een polymeer dat gevoelig is voor elektronenstralen. Vervolgens gebruikte ze elektronenstraallithografie om de structuur van het apparaat te modelleren en het overtollige PMMA weg te spoelen. Ze gebruikte een thermische verdamper om de schakelaarstructuur met goud te coaten. Goud was het materiaal bij uitstek omdat het de gethioleerde moleculen in staat stelt zichzelf te assembleren in de opening, de laatste montagestap.

Voor de eerste demonstratie van de tunnelstroom, Niroui gebruikte een kant-en-klaar molecuul in de opening tussen de elektroden. Er wordt verder gewerkt met medewerkers in het chemielab van Swager om nieuwe moleculen te synthetiseren met optimale mechanische eigenschappen om de schakelprestaties te optimaliseren.

"Ons project gebruikt dit ontwerp om twee metalen elektroden te hebben met een enkele laag moleculen in het midden, " legt Niroui uit. "We gebruiken zelfassemblage van moleculen waardoor de opening heel klein kan worden gefabriceerd. Door het molecuul en zijn eigenschappen te kiezen, zoals de molecuullengte, we kunnen de spleetdikte heel precies regelen in het regime van enkele nanometers. De reden dat we de opening klein willen hebben, is dat het ons in staat stelt om de schakelspanning te verminderen. Hoe kleiner de kloof, hoe kleiner de schakelspanning en hoe minder energie je gaat verbruiken om je toestel in en uit te schakelen, dat is zeer wenselijk."

De moleculen die de opening vullen, fungeren als kleine veren. Wanneer een elektrostatische kracht wordt uitgeoefend, de elektroden comprimeren het vulmiddel, alle moleculen verpletteren. "Deze moleculen gaan voorkomen dat de twee metalen met elkaar in contact komen. Tegelijkertijd gaat de samengeperste laag zorgen voor een herstellende kracht, dus het gaat het typische plakprobleem vermijden, permanente hechting tussen de twee elektroden, dat is verder heel gebruikelijk in elektromechanische systemen, " ze zegt.

Tunneling elektromechanische schakelaars werken door de opening te regelen tussen twee metalen elektroden die nooit in direct contact komen. "Je hebt altijd een opening tussen de twee elektroden. Vanwege de opening, de stroom die je moduleert is de tunnelstroom, ' zegt Niroui.

Niroui testte een versie van haar originele apparaat zonder een moleculaire spleetvuller en de twee elektroden plakten onmiddellijk aan elkaar. Door de leemte op te vullen, stroom-spanningstesten toonden kenmerken die reproduceerbaar en herhaalbaar waren, dus de apparaten maakten geen kortsluiting. "Door te vergelijken met theoretische modellen, we zien dat we enige compressie van de moleculen krijgen, en we extraheren mechanische eigenschappen van moleculen die overeenkomen met wat experimenteel in de literatuur wordt gerapporteerd, " zegt ze. Terwijl het apparaat een proof of concept vormde, verbeteringen zijn nodig in het vulmateriaal voor praktisch gebruik.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.