Моделирование предсказывает теоретические границы для нанотехнологий
 Различные типы наноэлектромеханических систем на основе нанотрубок. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Микроэлектромеханические системы (МЭМС) – устройства, собранные из «деталей», размер которых не превышает 0.1 мм; типичный размер такого устройства – около 20 микрометров. Впервые мысли создании МЭМС были высказаны задолго до того, как технологии позволили сделать первую практическую реализацию. В качестве примера первых разговоров об устройствах такого рода традиционно приводится лекция Р. Фейнмана «There's Plenty of Room at the Bottom» (1959).
С точки зрения технологии, МЭМС находятся где-то на стыке микроэлектроники, технологий производства однокристальных микросхем и микромеханики. Как и обычные микросхемы, МЭМС зачастую производятся на основе кремния, однако, существуют также полимерные или металлические устройства или их элементы.
На данный момент существует достаточно много применений для МЭМС. В основном они используются для создания разнообразных миниатюрных датчиков, например, датчиков ускорения, угловых скоростей, барометрических датчиков и т.п.
С развитием нанотехнологий направление МЭМС получило дальнейшее развитие в наноэлектромеханические системы (НЭМС). На данный момент масштабы таких устройств постепенно приближаются к 1 нм, обещая множество применений для конструирования, к примеру, высокочувствительных датчиков или памяти с низким энергопотреблением.
Устройства НЭМС имеют гораздо больший потенциал за счет своих миниатюрных размеров, по тем же самым причинам, работа с ними связана с множеством особенностей и парадоксов. С одной стороны, при работе с такими масштабами должны работать уже законы не классической механики, а квантовой, с другой стороны, уже было показано, что, к примеру, для нанотрубок, хоть и с некоторыми оговорками, верны многие предположения обычной механики (например, законы механики оболочек). Для работы с такими «двойственными» представлениями, исследователи вводят эффективные свойства, как бы «компенсирующие» квантовое несоответствие механическим законам. Такие видоизмененные классические законы в сочетании с многоэтапным моделированием хорошо описывают широкий класс НЭМС.
На данный момент наиболее активно исследуются так называемые НТ-НЭМС (т.е. наноэлектромеханические устройства на основе нанотрубок). Существует три основные конфигурации такого типа устройств: нанопинцеты, мосты из нанотрубок и нановыключатели (горизонтальные или вертикальные), каждый из которых по-своему описывается в рамках классических теорий с некоторыми «поправками».
Классическая теория предсказывает для НЭМС возможность неограниченного сокращения геометрических размеров. Вопреки этому, моделирование, проведенное специалистами из Lehigh University, показало, что существует фундаментальный предел для сокращения размеров таких устройств. Особенность полученного результата в том, что вычисленный предел вовсе не является некой универсальной константой, а зависит от сил взаимодействия между нанотрубкой и подложкой (формируемой обычно из кремния). Таким образом, это вовсе не повод прекратить исследования, а, наоборот, новая загадка. По словам ученых, проводивших моделирование, теоретически существует возможность компенсировать эти силы электромагнитными методами.
Исследовательская группа планирует продолжать работу именно в этом направлении, уточняя и расширяя свою математическую модель.
Источники: