Механические реле на углеродных нанотрубках для электроники НАСА

Голландский физик Хендрик Казимир признавался в письме Стиву Ламоро, экспериментально подтвердившему существование открытого им эффекта, что за прошедшие с момента открытия полвека престал быть экспертом в созданной им новой отрасли физики

Наноэлектромеханические переключатели на углеродных нанотрубках могут оказаться весьма перспективными в высокочастотных системах и устройствах, работающих в экстремальных климатических условиях или экстремальных условиях космического пространства.

Разработка электроники, которая способна надежно функционировать в экстремальных условиях окружающей среды, имеет огромную стратегическую важность для будущих планетарных миссий НАСА. Инструменты, которые могут в один прекрасный день полететь на Венеру, где приповерхностная температура достигает 486оС, или на Юпитер с его исключительно высокой радиоактивностью, нуждаются в значительном улучшении по сравнению с тем уровнем, что имеется на сегодняшний день.

Изобретение кремниевого транзистора около 50 лет тому назад произвело революцию в электронной промышленности и изменило многое в нашем обществе, включая нынешние технологии связи и передачи данных, равно как и технологии хранения и обработки информации. Однако, в соответствии с законом Мура (см. Википедия: Закон Мура – эмпирическое наблюдение, сделанное в 1965 году, т.е. через шесть лет после изобретения интегральной схемы, Гордоном Муром, одним из основателей Intel), продолжающаяся миниатюризация этих твердотельных переключателей и микросхем, в конечном счете, приведет к ограничению в их показателях.

Более миниатюрные элементы микросхем и близко расположенный монтаж вызывают существенное увеличение рассеяния мощности из-за утечек тока, даже в режиме ожидания или статическом режиме. Оценки показывают, что одни только статические потери могут поглотить 100% штатной мощности электронного устройства уже в ближайшие несколько лет. Твердотельные переключатели по своей природе весьма чувствительны к радиации и их работа в экстремальных температурных условиях ненадежна, поскольку физические свойства кремния существенно изменяются как при низких, так и при высоких температурах. В космических применениях потребление энергии, надежность и размер – все эти параметры играют гораздо большую роль, чем в потребительской электронике или даже военных применениях.

Наноэлектромеханические устройства (НЭМ), в отличие от переключателей на твердом теле, имеют низкие величины тока в состоянии ВЫКЛ, поскольку их проводящие детали физически изолированы друг от друга. В частности угольные нанотрубки (УНТ) имеют замечательные механические и электрические свойства, которые делают их превосходными кандидатами в проектировании НЭМ. Они исключительно жестки, переносят очень большие механические напряжения, а их очень малая масса и химическая инертность являеются многообещающими для маломощных быстродейтвующих переключателей с низкими электрическими потерями на утечку.

Оптимистично выглядят их возможности работы в экстремальных условиях окружающей среды. НЭМы на нанотрубках уже были использованы во многих приложениях в диапазоне от нанопинцетов до запоминающих устройств.

Исследователи Лаборатории Реактивного Движения Калифорнийского Технологического Института (Jet Propulsion Laboratory – JPL, California Institute of Technology Pasadena, CA), одни из наиболее успешных в этой области, разрабатывают сразу несколько архитектурных решений для НЭМ переключателей, используя метод разработки известный как «снизу-вверх» (bottom-up), которые были бы пригодны для использования в экстремальных условиях. Такие НЭВ используют нанотрубки, синтезированные методом плазменно-химического напыления (ПХН).

Одна из конструкций состоит из одностенных нанотрубок, которые перемыкают нанопазы, проделанные в металлическом электроде. Нанотрубки выращены при температуре 850оС в присутствии определенного катализатора из железа. Поскольку в присутствии некоторых металлов происходит каталитическое отравление нанотрубок, процесс синтеза усовершенствован присутствием ниобия, как огнеупорного материала, совместимого с с высокотемпературным ПХН. Изображение такого устройства с нанотрубкой, перекрывающей паз, хорошо иллюстрируется рисунком 1.

NEM_ustrojstvo_2.jpgРис.1. а) Изображение наноэлектромеханического (НЭМ) устройства, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) с небольшим увеличением; схема устройства показана на вставке; в) СЭМ-изображение, демонстрирующее одностенную нанотрубку(ОСНТ), перемыкающую нанопаз. Среди обозначений: PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition)- Плазменно-химическое напыление

Измерения питающего напряжения в таких устройствах показали хорошо детерминированные состояния ВКЛ и ВЫКЛ, и это видно на рис.2. Увеличение напряжения между верхним и базовым электродами составило 4 порядка величины при изменении тока от минимума до максимума. Типовые потери на рассеяние мощности были очень невелики, всего сотни нановатт. Времена переключения для разработанных устройств составили всего несколько наносекунд.

VA_charakteristiki_NEM.jpgРис.2. Вольтамперные характеристики НЭМ (см. Рис. 1в) за несколько циклов

Были также оценены радиочастотные характеристики таких НЭМ переключателей, поскольку микроэлектромеханические системные переключатели имеют знасительно более совершенные характеристики по сравнению с PIN – диодами и полевыми транзисторами на высоких частотах. Индуктивное, емкостное сопротивления и сопротивление постоянному току были вычислены с учетом квантовых параметров нанотрубок и эквивалентный электрический контур был рассчитан и смоделирован на частотах до 100ГГц. Было показано, что изоляция в конфигурации шунта подавлена благодаря огромной индуктивности трубок и высокой постоянной составляющей сопротивления.

Альтернативная конфигурация, в которой высокая индуктивность нанотрубки была рассчитана так, чтобы повысить радиочастотные характеристики. Для этого, в конструкции переключателя часть трубки металлизировали. В состоянии ВЫКЛ, где смещение постоянного тока не приложено, высокая индуктивность трубки предотвращает любое паразитное соединение между радиочастотными каналами и трубкой, что создает изоляцию, равную по крайней мере 20 дБ на частотах вплоть до 100 ГГц. В состоянии ВКЛ металлизированная часть нанотрубки входит в контакт с подстилающими металлическими прокладками, которые обеспечивают прохождения радиочастотных сигналов с низкими потерями (<0,5 дБ на 100 ГГц).

Переключатель подобной конструкции с использованием нанотрубки представляется исключительно удачным с точки зрения радиочастотных характеристик. В дополнение НЭМ переключатель имеет хороший потенциал в операционных параметрах – низкое питающее напряжение (< 10 В) и высокое быстродействие (лучше, чем мкс), которые очень трудно получить одновременно в переключателях МЭМС (микроэлектромеханические системы), известных и достаточно разработанных на сегодня.

Izoljatsija_TEM.jpgРис.3. а) Изоляция ТЭМ в положении ВЫКЛ вплоть до 100 ГГц; в) Вносимые потери в положении ВКЛ вплоть до 10 ГГц; на вставке – вносимые потери в увеличенном масштабе

Помимо многообещающих применений НЭМ переключателей в высокочастотных системах связи, исключительно важное значение имеет разработка методов контроля механических параметров углеродных нанотрубок с использованием методов их выращивания в электрическом поле. Общая цель – разработка переключателей для использования в устройствах постоянной памяти (не теряющих данные при выключении) и логических контурах с параметрами, которые позволяют использовать такие инструменты в экстремальных условиях при исследовании космического пространства.

Евгений Биргер


Дополнительная информация:

Пожалуйста, оцените статью:
Пока нет голосов