Un problema di vecchia data nella progettazione di interruttori elettromeccanici su scala nanometrica è la tendenza dei contatti metallo-metallo a restare uniti, bloccando l'interruttore in posizione "on". Lo studente laureato in ingegneria elettrica del MIT Farnaz Niroui ha trovato un modo per sfruttare questa tendenza per creare elettrodi con separazioni sottilissime. Progettando un cantilever che possa collassare e aderire permanentemente a una struttura di supporto durante il processo di fabbricazione, Il processo di Niroui lascia uno spazio controllabile su nanoscala tra il cantilever e gli elettrodi vicini al punto di adesione.

Niroi, che lavora nel Laboratorio di Elettronica Organica e Nanostrutturata del Professor Vladimir Bulovic (ONE Lab), ha presentato le sue scoperte più recenti il ​​20 gennaio alla conferenza IEEE Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) in Portogallo. I collaboratori del MIT includono i professori Jeffrey Lang in ingegneria elettrica e Timothy M. Swager in chimica. Il loro articolo è intitolato "Fabbricazione controllata di gap su nanoscala usando Stiction".

Stizione, come si chiama adesione permanente, è una sfida molto importante nei sistemi elettromeccanici e spesso provoca il guasto del dispositivo. Niroui ha sfruttato la rigidità a suo vantaggio utilizzando una struttura di supporto per creare spazi su scala nanometrica. "Inizialmente il cantilever è fabbricato con uno spazio relativamente più grande che è più facile da fabbricare, ma poi moduliamo le forze di adesione superficiale per poter provocare un collasso tra cantilever e supporto. Mentre il cantilever crolla, questo spazio si riduce alla larghezza molto più piccola di quella modellata, " spiega.

"Possiamo ottenere gap inferiori a 10 nanometri, " dice. "È controllabile perché scegliendo il design del cantilever, controllando le sue proprietà meccaniche e il posizionamento degli altri elettrodi, possiamo ottenere spazi vuoti di dimensioni diverse. Questo è utile non solo per la nostra applicazione, che è nel tunneling interruttori elettromeccanici, ma anche per l'elettronica molecolare e gli interruttori elettromeccanici a contatto. È un approccio generale per sviluppare lacune su scala nanometrica".

L'ultimo lavoro di Niroui si basa sul suo precedente lavoro che mostra un progetto per un interruttore comprimibile - o "squitch" - che riempie lo stretto spazio tra i contatti con uno strato molecolare organico che può essere compresso abbastanza strettamente da consentire alla corrente di passare, o flusso, da un elettrodo all'altro senza contatto diretto - la posizione "on" - ma che tornerà indietro per aprire uno spazio abbastanza ampio che la corrente non può fluire tra gli elettrodi - la posizione "off". Più morbido è il materiale di riempimento, minore è la tensione necessaria per comprimerlo. L'obiettivo è un interruttore a bassa potenza con un comportamento di commutazione improvviso ripetibile che possa integrare o sostituire i transistor convenzionali.

Niroui progettato, fabbricato, testato, e caratterizzato l'interruttore a sbalzo in cui un elettrodo è fisso e l'altro mobile con l'intercapedine di commutazione riempita con uno strato molecolare. Ha presentato i suoi primi risultati alla conferenza IEEE MEMS a San Francisco lo scorso anno in un documento intitolato, "Interruttori tunneling nanoelettromeccanici basati su strati molecolari autoassemblati". "Stiamo lavorando in questo momento su progetti alternativi per ottenere prestazioni di commutazione ottimizzate, " dice Nirou.

"Per me, uno degli aspetti interessanti del progetto è il fatto che i dispositivi sono progettati in dimensioni molto ridotte, "Niroui aggiunge, notando che il gap di tunneling tra gli elettrodi è solo di pochi nanometri. Usa la microscopia elettronica a scansione presso il Centro per la scienza e l'ingegneria dei materiali del MIT per visualizzare le strutture degli elettrodi rivestiti in oro e i nanogap, utilizzando misure elettriche per verificare l'effetto della presenza delle molecole nel gap di commutazione.

Costruendo il suo interruttore su una base di silicio/ossido di silicio, Niroui ha aggiunto uno strato superiore di PMMA, un polimero sensibile ai fasci di elettroni. Ha quindi utilizzato la litografia a fascio di elettroni per modellare la struttura del dispositivo e lavare via il PMMA in eccesso. Ha usato un evaporatore termico per rivestire d'oro la struttura dell'interruttore. L'oro è stato il materiale preferito perché consente alle molecole tiolate di autoassemblarsi nello spazio vuoto, la fase di montaggio finale.

Per la dimostrazione iniziale della corrente di tunneling, Niroui ha utilizzato una molecola standard nello spazio tra gli elettrodi. Il lavoro continua con i collaboratori del laboratorio di chimica di Swager per sintetizzare nuove molecole con proprietà meccaniche ottimali per ottimizzare le prestazioni di commutazione.

"Il nostro progetto utilizza questo design per avere due elettrodi metallici con un singolo strato di molecole nel mezzo, " Spiega Niroui. "Utilizziamo l'autoassemblaggio di molecole che consente di fabbricare il divario molto piccolo. Scegliendo la molecola e le sue proprietà come la lunghezza molecolare, possiamo controllare lo spessore del gap in modo molto preciso nel regime di pochi nanometri. Il motivo per cui vogliamo che il divario sia ridotto è che ci consente di ridurre la tensione di commutazione. Più piccolo è il divario, minore è la tensione di commutazione e minore sarà l'energia consumata per accendere e spegnere il dispositivo, che è molto desiderabile."

Le molecole che riempiono il vuoto agiscono come minuscole molle. Quando viene applicata una forza elettrostatica, gli elettrodi comprimono il filler, schiacciando tutte le molecole. "Queste molecole impediranno che i due metalli entrino in contatto. Allo stesso tempo, lo strato compresso fornirà una forza di ripristino, quindi eviterà il tipico problema di incollaggio, adesione permanente tra i due elettrodi, altrimenti molto comune nei sistemi elettromeccanici, " lei dice.

Gli interruttori elettromeccanici a tunnel funzionano controllando lo spazio tra due elettrodi metallici che non entrano mai in contatto diretto. "Avrete sempre uno spazio tra i due elettrodi. A causa dello spazio, la corrente che si modula è la corrente di tunneling, " dice Nirou.

Niroui ha testato una versione del suo dispositivo originale senza un riempitivo di gap molecolare e i due elettrodi si sono immediatamente attaccati insieme. Colmando il vuoto, le prove di corrente-tensione hanno mostrato caratteristiche riproducibili e ripetibili, quindi i dispositivi non sono andati in cortocircuito. "Confrontando i modelli teorici, osserviamo che otteniamo una certa compressione delle molecole, ed estraiamo proprietà meccaniche di molecole che corrispondono a quanto riportato sperimentalmente in letteratura, " dice. Mentre il dispositivo ha stabilito la prova del concetto, sono necessari miglioramenti nel materiale di riempimento per l'uso pratico.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.