Klembare nano elektromekaniske kontakter med kvantetunnelfunktion

Et langvarigt problem ved design af elektromekaniske kontakter i nanoskala er tendensen til, at metal-til-metal-kontakter klæber sammen, låse kontakten i en "on" position. MIT elektroingeniørstuderende Farnaz Niroui har fundet en måde at udnytte denne tendens til at skabe elektroder med nanometertynde adskillelser. Ved at designe en cantilever, der kan kollapse og permanent klæbe til en støttestruktur under fremstillingsprocessen, Nirouis proces efterlader et kontrollerbart nanoskala-gab mellem cantileveren og elektroderne, der støder op til adhæsionspunktet.

Niroui, der arbejder i professor Vladimir Bulovićs Organic and Nanostructured Electronics Laboratory (ONE Lab), præsenterede sine seneste resultater den 20. januar på IEEE Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) konference i Portugal. MIT-samarbejdspartnere omfatter professorerne Jeffrey Lang i elektroteknik og Timothy M. Swager i kemi. Deres papir har titlen "Kontrolleret fremstilling af nanoskalagaps ved hjælp af stikning."

Stiktion, som permanent adhæsion kaldes, er en meget vigtig udfordring i elektromekaniske systemer og resulterer ofte i enhedsfejl. Niroui vendte stikket til sin fordel ved at bruge en støttestruktur til at lave huller i nanoskala. "Oprindeligt er cantileveren fremstillet med et relativt større mellemrum, som er lettere at fremstille, men så modulerer vi overfladeadhæsionskræfterne for at kunne forårsage et kollaps mellem cantileveren og støtten. Da udhænget kollapser, dette mellemrum reduceres til bredden meget mindre end mønstret, " forklarer hun.

"Vi kan få under 10 nanometer mellemrum, " siger hun. "Det er kontrollerbart, fordi ved at vælge designet af udhænget, kontrol af dets mekaniske egenskaber og placeringen af ​​de andre elektroder, vi kan få huller, der er forskellige i størrelse. Dette er nyttigt ikke kun for vores applikation, som er i tunnelering af elektromekaniske kontakter, men også til molekylær elektronik og kontaktbaserede elektromekaniske kontakter. Det er en generel tilgang til at udvikle huller i nanoskala."

Nirouis seneste arbejde bygger på hendes tidligere arbejde, der viser et design til en squeezable switch - eller "squich" - som udfylder det smalle mellemrum mellem kontakter med et organisk molekylært lag, der kan komprimeres tæt nok til at tillade strøm at tunnelere, eller flow, fra en elektrode til en anden uden direkte kontakt - "tændt"-positionen - men det vil springe tilbage for at åbne et mellemrum, der er stort nok til, at strømmen ikke kan flyde mellem elektroderne - "fra"-stillingen. Jo blødere fyldmaterialet er, jo mindre spænding er nødvendig for at komprimere den. Målet er en laveffektswitch med repeterbar pludselig koblingsadfærd, der kan supplere eller erstatte konventionelle transistorer.

Niroui designet, fremstillet, testet, og kendetegnet den udkragede omskifter, i hvilken den ene elektrode er fastgjort og den anden bevægelig med omskiftermellemrummet fyldt med et molekylært lag. Hun præsenterede sine første resultater på IEEE MEMS-konferencen i San Francisco sidste år i et papir med titlen, "Nanoelektromekaniske tunnelafbrydere baseret på selvsamlede molekylære lag." "Vi arbejder lige nu på alternative designs for at opnå en optimeret koblingsydelse, " siger Niroui.

"For mig, et af de interessante aspekter af projektet er det faktum, at enheder er designet i meget små dimensioner, " tilføjer Niroui, bemærker, at tunnelgabet mellem elektroderne kun er nogle få nanometer. Hun bruger scanningselektronmikroskopi på MIT Center for Materials Science and Engineering til at afbilde de guldbelagte elektrodestrukturer og nanogaperne, mens der bruges elektriske målinger til at verificere effekten af ​​tilstedeværelsen af ​​molekylerne i koblingsgabet.

At bygge sin kontakt på en silicium/silconoxidbase, Niroui tilføjede et toplag af PMMA, en polymer, der er følsom over for elektronstråler. Hun brugte derefter elektronstrålelitografi til at mønstre enhedens struktur og vaske det overskydende PMMA væk. Hun brugte en termisk fordamper til at belægge kontaktstrukturen med guld. Guld var det foretrukne materiale, fordi det gør det muligt for de thiolerede molekyler at samle sig selv i mellemrummet, det sidste monteringstrin.

Til den indledende demonstration af tunnelstrøm, Niroui brugte et hyldevare-molekyle i mellemrummet mellem elektroderne. Arbejdet fortsætter med samarbejdspartnere i Swagers kemilaboratorium for at syntetisere nye molekyler med optimale mekaniske egenskaber for at optimere switchydeevnen.

"Vores projekt bruger dette design til at have to metalelektroder med et enkelt lag molekyler i midten, " Niroui forklarer. "Vi bruger selvsamling af molekyler, der gør det muligt at fremstille mellemrummet meget lille. Ved at vælge molekylet og dets egenskaber såsom molekyllængden, vi kan kontrollere spaltetykkelsen meget præcist i få nanometer-regimet. Grunden til, at vi vil have mellemrummet lille, er, at det giver os mulighed for at reducere koblingsspændingen. Jo mindre afstanden er, jo mindre koblingsspænding og jo mindre energi vil du bruge for at tænde og slukke din enhed, hvilket er meget ønskeligt."

Molekylerne, der fylder hullet, fungerer som små fjedre. Når en elektrostatisk kraft påføres, elektroderne komprimerer fyldstoffet, klemme alle molekylerne. "Disse molekyler vil forhindre de to metaller i at komme i kontakt. Samtidig vil det komprimerede lag give en genoprettelseskraft, så det vil undgå det typiske klæbeproblem, permanent adhæsion mellem de to elektroder, som ellers er meget almindeligt i elektromekaniske systemer, " hun siger.

Tunneling af elektromekaniske kontakter fungerer ved at kontrollere afstanden mellem to metalelektroder, der aldrig kommer i direkte kontakt. "Du vil altid have et mellemrum mellem de to elektroder. På grund af mellemrummet, den strøm, du modulerer, er tunnelstrømmen, " siger Niroui.

Niroui testede en version af sin originale enhed uden en molekylær spaltefylder, og de to elektroder klæbede straks sammen. Ved at udfylde hullet, strømspændingstests viste egenskaber, der var reproducerbare og gentagelige, så enhederne kortede ikke. "Ved at sammenligne med teoretiske modeller, vi observerer, at vi får en vis komprimering af molekylerne, og vi udvinder mekaniske egenskaber af molekyler, der matcher det, der er rapporteret eksperimentelt i litteraturen, " siger hun. Mens enheden etablerede proof of concept, der er behov for forbedringer i fyldmaterialet til praktisk brug.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.