Fig. 1:Immagini al microscopio elettronico a scansione delle strutture sospese del diamante a cristallo singolo, (a) cantilever, (b) ponte, e (c) interruttore NEMS a 3 terminali. La struttura del traferro è stata formata nel lato del substrato.
I ricercatori giapponesi sono riusciti nella fabbricazione in batch di strutture sospese (cantilever e ponti) di diamante a cristallo singolo per sistemi elettromeccanici nano/micro.
Dott. Meiyong Liao, un ricercatore senior di Sensor Materials Center, Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali, ha collaborato con i suoi colleghi, è riuscito nella fabbricazione in batch di strutture sospese (cantilever e ponti) di diamante a cristallo singolo per sistemi elettromeccanici nano/micro (NEMS/MEMS). Sulla base di questo processo, hanno realizzato nel mondo il primo interruttore NEMS di diamante a cristallo singolo.
L'interruttore NEMS ha i vantaggi della corrente a bassa dispersione, basso consumo energetico e nitido rapporto on/off rispetto ai dispositivi a semiconduttore convenzionali. La maggior parte degli switch NEMS/MEMS esistenti è basata su silicio o materiali metallici, che hanno gli inconvenienti di una meccanica scadente, chimico, e stabilità termica, scarsa affidabilità e durata. Il diamante è il materiale ideale per NEMS/MEMS grazie al modulo elastico più elevato, durezza meccanica, conduttività termica, e conducibilità elettrica variabile da isolante a conduttore. Però, a causa della difficoltà nel fabbricare strutture sospese di diamante a cristallo singolo, lo sviluppo di dispositivi NEMS/MEMS di diamante a cristallo singolo è stata una sfida.
Il team di ricerca NIMS ha sviluppato un processo per la fabbricazione di strutture di diamante a cristallo singolo sospese formando localmente uno strato sacrificale di grafite in un substrato di diamante a cristallo singolo mediante impianto di ioni ad alta energia, seguita dalla crescita di un epistrato di diamante con conduttività elettrica mediante il metodo di deposizione chimica da vapore al plasma a microonde (MPCVD) e la rimozione dello strato sacrificale di grafite. Come ulteriore sviluppo di questa tecnica, il gruppo è anche riuscito per la prima volta a fabbricare dispositivi di commutazione NEMS con una struttura simile a un transistor comprendente 3 elettrodi.
La corrente di dispersione dell'interruttore NEMS a diamante sviluppato è molto bassa, e il consumo di energia è inferiore a 10pW (picowatt). I dispositivi mostrano un'elevata riproducibilità, alta affidabilità e nessuna adesione superficiale. È stato inoltre confermato il funzionamento stabile dell'interruttore NEMS a diamante in un ambiente ad alta temperatura (250°C). Il modulo di Young della struttura a sbalzo mobile è stato misurato pari a 1100 GPa, che è vicino al valore dei singoli cristalli di diamante sfusi. Così, ci si può aspettare un'operazione di commutazione ad alta velocità (gigahertz).
Rispetto agli interruttori MEMS esistenti, ci si aspetta che gli interruttori NEMS a diamante mostrino funzioni notevolmente migliorate, compresa l'affidabilità, tutta la vita, velocità, e capacità di movimentazione elettrica, ecc. I dispositivi sviluppati possono essere applicati come interruttori a microonde per comunicazioni wireless di nuova generazione e circuiti logici in ambienti difficili. Questi risultati della ricerca stabiliscono anche l'infrastruttura per i NEMS/MEMS del diamante con nuove funzioni, aprendo la strada allo sviluppo di vari prodotti chimici, fisico, e sensori meccanici.
