Verdens første diamant nanoelektromekaniske switch

Japanske forskere har haft succes med batchfremstilling af ophængte strukturer (cantilevers og broer) af enkeltkrystal diamant til nano/mikro elektromekaniske systemer.

Dr. Meiyong Liao, en seniorforsker i Sensor Materials Center, National Institute for Materials Science, samarbejdede med sine kolleger, lykkedes med batchfremstilling af suspenderede strukturer (cantilevers og broer) af enkeltkrystal diamant til nano/mikro elektromekaniske systemer (NEMS/MEMS). Baseret på denne proces, de opnåede i verden den første enkelt krystal diamant NEMS switch.

NEMS-switchen har fordelene ved lav lækstrøm, lavt strømforbrug og skarpt tænd/sluk-forhold i sammenligning med de konventionelle halvlederenheder. De fleste af de eksisterende NEMS/MEMS-switche er baseret på silicium- eller metalmaterialer, som har ulemperne ved dårlig mekanisk, kemisk, og termisk stabilitet, dårlig pålidelighed og holdbarhed. Diamant er det ideelle materiale til NEMS/MEMS på grund af det højeste elasticitetsmodul, mekanisk hårdhed, varmeledningsevne, og variabel elektrisk ledningsevne fra isolator til leder. Imidlertid, på grund af vanskeligheden ved at fremstille ophængte strukturer af enkeltkrystal diamant, Udviklingen af ​​NEMS/MEMS-enheder med én krystal diamant har været en udfordring.

NIMS-forskerholdet udviklede en proces til fremstilling af suspenderede enkrystal-diamantstrukturer ved lokalt at danne et grafit-offerlag i et enkelt-krystal-diamantsubstrat ved højenergi-ionimplantation, efterfulgt af væksten af ​​et diamant-epilag med elektrisk ledningsevne ved mikrobølgeplasma-kemisk dampaflejringsmetode (MPCVD) og fjernelse af grafit-offerlaget. Som en videreudvikling af denne teknik, gruppen lykkedes også for første gang med at fremstille NEMS-switch-enheder med en transistorlignende struktur bestående af 3 elektroder.

Lækstrømmen af ​​den udviklede diamant NEMS switch er meget lav, og strømforbruget er mindre end 10pW (picowatt). Enhederne udviser høj reproducerbarhed, høj pålidelighed og ingen overfladestiktion. Stabil drift af diamant-NEMS-switchen i et højtemperaturmiljø (250°C) blev også bekræftet. Youngs modul af den bevægelige udkragningsstruktur blev målt til at være 1100GPa, hvilket er tæt på værdien af ​​bulk diamantenkeltkrystaller. Dermed, højhastigheds (gigahertz) koblingsdrift kan forventes.

I sammenligning med de eksisterende MEMS-switche, diamant NEMS-kontakterne forventes at vise stærkt forbedrede funktioner, herunder pålidelighed, livstid, hastighed, og elektrisk håndteringskapacitet, osv. De udviklede enheder kan anvendes som mikrobølgeafbryder til næste generations trådløse kommunikation og logiske kredsløb under barske miljøer. Disse forskningsresultater etablerer også infrastrukturen for diamant NEMS/MEMS med nye funktioner, åbner vejen for udvikling af forskellige kemikalier, fysisk, og mekaniske sensorer.