I tradizionali circuiti integrati a base di silicio si trovano in molte applicazioni, dai grandi server di dati alle auto ai telefoni cellulari. La loro ampia integrazione è dovuta in parte alla capacità dell'industria dei semiconduttori di continuare a fornire prestazioni affidabili e scalabili per decenni.
Però, mentre i circuiti a base di silicio continuano a ridursi di dimensioni nell'incessante ricerca della Legge di Moore - la previsione che il numero di transistor che possono stare in un circuito integrato raddoppia ogni due anni - il consumo di energia sta aumentando rapidamente. Inoltre, l'elettronica al silicio convenzionale non funziona bene in ambienti estremi come alte temperature o radiazioni.
Nel tentativo di sostenere l'avanzamento di questi dispositivi riducendo al contempo il consumo di energia, diverse comunità di ricerca sono alla ricerca di tecnologie ibride o alternative. La tecnologia degli interruttori nanoelettromeccanici (NEM) è un'opzione che mostra grandi promesse.
"Gli interruttori NEM sono costituiti da una nanostruttura (come un nanotubo di carbonio o un nanofilo) che si flette meccanicamente sotto le forze elettrostatiche per stabilire o interrompere il contatto con un elettrodo, " disse Horacio Espinosa, James N. e Nancy J. Farley Professore di produzione e imprenditorialità presso la McCormick School of Engineering della Northwestern University.
interruttori NEM, che può essere progettato per funzionare come un transistor al silicio, può essere utilizzato sia in dispositivi NEM-silicio autonomi che ibridi. Offrono sia un consumo energetico estremamente basso che una forte tolleranza alle alte temperature e all'esposizione alle radiazioni.
Dato il loro potenziale, l'ultimo decennio ha visto un'attenzione significativa allo sviluppo di dispositivi NEM ibridi e standalone. Questo decennio di progressi è recensito dal gruppo di Espinosa nell'attuale numero della rivista Nanotecnologia della natura. La loro recensione fornisce una discussione completa del potenziale di queste tecnologie, così come le principali sfide associate alla loro adozione.
Per esempio, una sfida di lunga data è stata quella di creare array di milioni di nanostrutture, come i nanotubi di carbonio, utilizzati per realizzare questi dispositivi NEM. (Per la prospettiva, la moderna elettronica al silicio può avere miliardi di transistor su un singolo chip.) La recensione dei ricercatori descrive i metodi dimostrati fino ad oggi per creare questi array, e come possono fornire un percorso per realizzare dispositivi ibridi NEM-CMOS su larga scala.
Allo stesso modo, mentre i singoli dispositivi NEM mostrano prestazioni estremamente elevate, finora si è dimostrato difficile farli funzionare in modo affidabile per milioni di cicli, che è necessario se devono essere utilizzati nell'elettronica di consumo. La revisione descrive in dettaglio le varie modalità di fallimento e descrive metodi promettenti per superarli.
Un esempio dei progressi che facilitano una maggiore robustezza delle tecnologie degli interruttori NEM è riportato nell'attuale numero di Advanced Materials. Qui Espinosa e il suo gruppo mostrano come una nuova selezione di materiali possa migliorare notevolmente la robustezza sia dei dispositivi NEM-CMOS ibridi che dei dispositivi NEM autonomi.
"I dispositivi NEM con elettrodi metallici di uso comune spesso si guastano per una delle varie modalità di guasto dopo solo pochi cicli di attuazione, " disse Owen Loh, uno studente di dottorato presso la Northwestern University e coautore del documento, attualmente in Intel.
Semplicemente sostituendo gli elettrodi metallici con elettrodi realizzati con pellicole di carbonio conduttive simili al diamante, il gruppo è stato in grado di migliorare notevolmente il numero di cicli sopportati da questi dispositivi. Gli interruttori che in origine si erano guastati dopo meno di 10 cicli, ora hanno funzionato per 1 milione di cicli senza guasti. Questo progresso facile ma efficace può fornire un passo fondamentale verso la realizzazione dei dispositivi NEM il cui potenziale è delineato nella recente revisione.
Il lavoro riportato in Advanced Materials è stato una collaborazione congiunta tra Northwestern University, il Centro per le Nanotecnologie Integrate presso i Laboratori Nazionali Sandia, e il Centro per i materiali su scala nanometrica presso i Laboratori nazionali di Argonne. Il finanziamento è stato fornito dalla National Science Foundation, l'Ufficio Ricerche dell'Esercito, Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, e l'Ufficio di ricerca navale.
"In definitiva, la realizzazione di dispositivi ibridi NEM-CMOS di nuova generazione consentirà il ridimensionamento continuo dell'elettronica che alimenta numerosi sistemi che incontriamo quotidianamente, " Disse Espinosa. "Allo stesso tempo, richiederà una spinta continua da parte dell'ingegneria, scienze di base, e le comunità della scienza dei materiali".
