O estudante de graduação em engenharia elétrica do MIT, Farnaz Niroui, trabalha em uma caixa de luvas, onde ela prepara uma amostra para deposição de ouro. O porta-luvas é conectado por meio de uma linha de transferência a um evaporador térmico que deposita o revestimento de ouro em interruptores compressíveis, ou “squitches, ”Que a Niroui projeta, fabrica, e testes no Laboratório de Eletrônica Orgânica e Nanoestruturada do MIT. Crédito:Denis Paiste / Centro de Processamento de Materiais
Um problema de longa data no projeto de interruptores eletromecânicos em nanoescala é a tendência de os contatos de metal com metal se unirem, travando a chave em uma posição "ligada". O estudante de graduação em engenharia elétrica do MIT, Farnaz Niroui, encontrou uma maneira de explorar essa tendência de criar eletrodos com separações nanométricas. Ao projetar um cantilever que pode colapsar e aderir permanentemente a uma estrutura de suporte durante o processo de fabricação, O processo de Niroui deixa uma lacuna em nanoescala controlável entre o cantilever e os eletrodos próximos ao ponto de adesão.
Niroui, que trabalha no Laboratório de Eletrônica Orgânica e Nanoestruturada do Professor Vladimir Bulović (ONE Lab), apresentou as suas descobertas mais recentes a 20 de Janeiro na Conferência IEEE Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) em Portugal. Os colaboradores do MIT incluem os professores Jeffrey Lang em engenharia elétrica e Timothy M. Swager em química. O artigo é intitulado "Fabricação controlada de lacunas em nanoescala usando esticção".
Esticção, como a adesão permanente é chamada, é um desafio muito importante em sistemas eletromecânicos e frequentemente resulta em falha do dispositivo. Niroui tirou vantagem da rigidez ao usar uma estrutura de suporte para criar lacunas em nanoescala. "Inicialmente, o cantilever é fabricado com uma lacuna relativamente maior que é mais fácil de fabricar, mas então modulamos as forças de adesão da superfície para poder causar um colapso entre o cantilever e o suporte. À medida que o cantilever desmorona, esta lacuna se reduz a uma largura muito menor do que padronizada, " Ela explica.
"Podemos obter lacunas abaixo de 10 nanômetros, "ela diz." É controlável porque ao escolher o projeto do cantilever, controlar suas propriedades mecânicas e a colocação dos outros eletrodos, podemos obter lacunas de tamanhos diferentes. Isso é útil não apenas para nosso aplicativo, que está no tunelamento de interruptores eletromecânicos, mas também para eletrônica molecular e interruptores eletromecânicos baseados em contato. É uma abordagem geral para desenvolver lacunas em nanoescala. "
O estudante de graduação em engenharia elétrica do MIT, Farnaz Niroui, projetou um processo de fabricação para interruptores eletromecânicos em nanoescala em que um cantilever pode colapsar e aderir permanentemente a uma estrutura de suporte, deixando uma lacuna em nanoescala controlável entre o cantilever e os eletrodos próximos ao ponto de adesão, que é chamado de esticção. Crédito:Farnaz Niroui
O trabalho mais recente de Niroui se baseia em seu trabalho anterior, mostrando um projeto para uma chave compressível - ou "squitch" - que preenche a lacuna estreita entre os contatos com uma camada molecular orgânica que pode ser comprimida com força suficiente para permitir que a corrente entre em um túnel, ou fluxo, de um eletrodo para outro sem contato direto - a posição "ligada" - mas isso voltará a abrir uma lacuna grande o suficiente para que a corrente não possa fluir entre os eletrodos - a posição "desligada". Quanto mais macio for o material de preenchimento, menos voltagem é necessária para comprimi-lo. O objetivo é um switch de baixa potência com comportamento de chaveamento abrupto repetível que pode complementar ou substituir os transistores convencionais.
Niroui projetado, fabricado, testado, e caracterizou a chave em balanço em que um eletrodo é fixo e o outro móvel com a lacuna de comutação preenchida com uma camada molecular. Ela apresentou suas descobertas iniciais na IEEE MEMS Conference em San Francisco no ano passado em um artigo intitulado, "Chaves de tunelamento nanoeletromecânicas baseadas em camadas moleculares automontadas." "Estamos trabalhando agora em projetos alternativos para alcançar um desempenho de comutação otimizado, "Niroui diz.
"Para mim, um dos aspectos interessantes do projeto é o fato de que os dispositivos são projetados em dimensões muito pequenas, "Niroui acrescenta, observando que a lacuna de tunelamento entre os eletrodos é de apenas alguns nanômetros. Ela usa microscopia eletrônica de varredura no Centro de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT para criar imagens das estruturas do eletrodo revestido de ouro e dos nanogaps, ao usar medições elétricas para verificar o efeito da presença das moléculas no gap de comutação.
Construindo seu switch em uma base de silício / óxido de silício, Niroui adicionou uma camada superior de PMMA, um polímero que é sensível a feixes de elétrons. Ela então usou litografia de feixe de elétrons para padronizar a estrutura do dispositivo e lavar o excesso de PMMA. Ela usou um evaporador térmico para revestir a estrutura do switch com ouro. O ouro foi o material escolhido porque permite que as moléculas tioladas se auto-montem na lacuna, a etapa final de montagem.
Para a demonstração inicial de corrente de tunelamento, Niroui usou uma molécula pronta para uso no intervalo entre os eletrodos. O trabalho continua com os colaboradores do laboratório de química de Swager para sintetizar novas moléculas com propriedades mecânicas ideais para otimizar o desempenho de comutação.
Farnaz Niroui trabalha em um evaporador térmico, que ela usa para depositar uma camada de ouro em interruptores compressíveis, ou “squitches, ”Que ela desenhou, fabricado e testado. É parte de uma linha de transferência selada a vácuo para a fabricação de dispositivos eletrônicos em nanoescala. Crédito:Denis Paiste / Centro de Processamento de Materiais
"Nosso projeto usa este design para ter dois eletrodos de metal com uma única camada de moléculas no meio, "Niroui explica." Usamos a automontagem de moléculas que permite que a lacuna seja fabricada muito pequena. Ao escolher a molécula e suas propriedades, como o comprimento molecular, podemos controlar a espessura da lacuna com muita precisão no regime de poucos nanômetros. O motivo pelo qual queremos que o gap seja pequeno é que ele nos permite reduzir a tensão de comutação. Quanto menor a lacuna, quanto menor a voltagem de comutação e menos energia você vai consumir para ligar e desligar o seu dispositivo, o que é muito desejável. "
As moléculas que preenchem a lacuna atuam como minúsculas molas. Quando uma força eletrostática é aplicada, os eletrodos comprimem o enchimento, esmagando todas as moléculas. "Essas moléculas vão evitar que os dois metais entrem em contato. Ao mesmo tempo, a camada comprimida vai fornecer uma força restauradora, então isso vai evitar o problema típico de aderência, adesão permanente entre os dois eletrodos, que é muito comum em sistemas eletromecânicos, " ela diz.
Chaves eletromecânicas de túnel funcionam controlando a lacuna entre dois eletrodos de metal que nunca entram em contato direto. "Você sempre terá uma lacuna entre os dois eletrodos. Por causa da lacuna, a corrente que você modula é a corrente de tunelamento, "Niroui diz.
Niroui testou uma versão de seu dispositivo original sem um preenchimento de lacuna molecular e os dois eletrodos imediatamente aderiram. Ao preencher a lacuna, os testes de corrente-tensão mostraram características que eram reproduzíveis e repetíveis, para que os dispositivos não ocorressem em curto. "Comparando com modelos teóricos, observamos que obtemos alguma compressão das moléculas, e extraímos propriedades mecânicas de moléculas que correspondem ao que é relatado experimentalmente na literatura, "diz ela. Embora o dispositivo tenha estabelecido uma prova de conceito, melhorias são necessárias no material de enchimento para uso prático.
Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.
