Наноэлектромеханические системы (НЭМС)

177 
в пределах корпуса микросхемы механической работы (нанодвигатели, 
наноактюаторы), (НЭМС-фильтры). 
Наиболее простые, базовые элементы НЭМС-наноконсоли и нанобалки, 
которые 
являются 
механическими 
микрорезонаторами. 
Они 
имеют 
нанометровые размеры с различными возможными конфигурациями, 
создаваемыми в основном из монокристалла кремния. Более сложные 
конструкции это мембраны круглые или прямоугольные. 
Кремний обладает высоким механическими параметрами, модуль Юнга = 3 
10 
11
Н/м, прочность на изгиб и разрыв. В настоящее время кремний является 
базовым материалом для МЭМС и НЭМС. Однако при изготовлении микро и 
наноконсолей используются карбиды и нитриды SiC, Si
3
N
4
, AlN и др.
Характерные размеры нановибраторов (наноконсолей и нанобалок) будут 
находиться в следующем диапазоне: толщина 10-50 нм, длина 10-1000 нм, 
ширина 20-100 нм. 
Движущей силой перехода на новый масштаб выполнения 
МЕМС является 
перспектива получения новых функциональных возможностей приборов или 
возможность значительного качественного улучшения уже достигнутых на 
технологии МЕМС характеристик. 
Масштабным применением нанорезонаторов является использование их 
как считывающих элементов для регистрации присутствия и изменения 
нанообъемов концентраций химических элементов, токсических веществ, 
включая взрывчатых веществ. 
Задачей наноэлектромеханики является построение наноманипуляторов, 
способных оперировать отдельными молекулами и атомами. В настоящее время 
для этих целей применяют атомно-силовые сканирующие туннельные 
микроскопы, которые недостаточно эффективны в управлении. Инструментом 
таких наноманипуляторов могут быть наноконсоли выступающие в роли 
нанопинцетов, которые могут перемещать отдельные молекулы и 
синтезировать новые органические наноструктуры. 
Актуаторы
– устройства, преобразующие электрическую энергию в 
механическую и наоборот. Пример: актуатор состоящий из двух листов 
однослойных нанотрубок, удерживаемых вместе двухсторонним скотчем (см. 
рис. 3.41). Изолирующий пластиковый зажим скреплял листы сверху и 
фиксировал электрические контакты. Листы помещали в электролит из 
одномолярного раствора NaCl. Несколько вольт приложенного напряжения 
изгибает лист, т.к. углеродные нанотрубки деформируются под действием 
сообщенного им электрического заряда. Переменное напряжение вызывает 
колебание такого кантилевера. 

178 
Рис. 3.41. Схема актуатора, состоящего из двух листов однослойных нанотрубок, 
удерживаемых двухсторонним скотчем. Справа положительное механическое напряжение.
[1]
Этот опыт показывает, что возможно создание наноразмерных актуаторов, 
использующих всего три однослойных углеродных нанотрубки: две внешние 
должны быть металлическими, внутренняя нанотрубка - изолирующая. Они 
должны быть выставлены параллельно и находится в плотном контакте. 
Молекула азобензола изображена на рис. 3.42. При облучении светом 
длиной волны 313 нм она может изменить свою конфигурацию с 
транс
-
изомерной формы на 
цис
-изомерную. Если облучать цис-изомер светом с 
длиной волны 380 нм, то молекула возвращается в транс-форму. Цис-изомер 
короче, чем транс-изомер.
Построена молекулярная машина, основанная на фотоизомеризации 
азобензольного полимера. При облучении полимера, прикрепленного к 
кантилеверу импульсами света 420 нм и 365 нм, балка кантилевера совершает 
колебания. Это первая демонстрация искусственной одномолекулярной 
машины, которая преобразует энергию света в механическую работу. 
Рис. 3.42. а) Индуцированная ультрафиолетовым светом цис-транс изомеризация азобензола. 
б) Молекулярная машина, основанная на индуцированном светом изомерных превращениях 
азобензольного полимера. Он сокращается при переходе в цис-форму, вызывая изгиб 
кантилевера.
[7] 
После создания микро- и нано- электромеханических систем следует 
создание микро и нано роботов. В программе «Smart dust» - умная пыль, 

179 
создано семейство мини роботов, размером с пылинку, способных создать сеть 
для передачи акустической и световой информации.[9]
Молекулярные переключатели могут стать основой устройств для 
хранения информации, и логических схем в компьютерах, использующих 
двоичную систему. Если молекула может находиться в двух различных 
состояниях, в форме А, или В и обратимо переводится внешними 
воздействиями (свет или напряжение) из одного состояния 0 в другое 1, это 
можно использовать для запоминания информации. Оба состояния должны 
быть термоустойчивыми и способными переключаться много раз. Эти два 
состояния должны быть различимыми для некоторого зонда. Такое 
зондирование называется режимом чтения. 
Схема переключателя на основе молекулы азобензола, которая имеет цис-
форму и транс-форму показана на рис. 3.43
.
Цис-изомер восстанавливается до 
гидробензола в электрохимическом процессе путем добавления двух атомов 
водорода под действием более отрицательного потенциала, а затем 
возвращается к транс-изомеру путем окисления, удаляющего атомы водорода. 
Для построения молекулярного компьютера необходимы различные 
соединения молекулярных переключателей в виде молекулярных логических 
элементов булевой алгебры. 
Рис. 3.43. Схема управления процессом переключения азобензола, посредством 
фотоизомеризации (вверху) и электрохимии (внизу) позволяющая реализовать 
двухрежимный переключатель.
[1] 

жүктеу/скачать 12,63 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: