انتقل إلى المحتوى

كهروميكانيكا الصغائر: الفرق بين النسختين

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
تصفح التاريخ تفاعلياً
[نسخة منشورة][نسخة منشورة]
→ التعديل السابقالتعديل اللاحق ←
تم حذف المحتوى تمت إضافة المحتوى
مرئينص الويكي
JarBot (نقاش | مساهمات)
17٬592٬533 edits
ط بوت:الإبلاغ عن رابط معطوب أو مؤرشف V4.2 (تجريبي)
This article was translated by I Believe in Science & Ideas beyond borders & Beit al Hikma 2.0
سطر 1: سطر 1:
{{مصدر وحيد|تاريخ=ديسمبر 2018}}
{{الكترونيات نانوية}}
{{الكترونيات نانوية}}


'''كهروميكانيكا الصغائر''' حقل علمي قائم على تقنية [[تصنيع نبائط أشباه الموصلات|تصنيع أشباه الموصلات]] [[سيليكون|السيليكونية]] ويرمي إلى صناعة [[آلة|آلات]] صغائرية بالإفادة من تلك التقنية.وستجد هذه الآلات الصغائرية طلبا عليها عدة مجالات منها [[علوم الأرض والفضاء]] و[[مركبة|المركبات]] و[[أجهزة|الأجهزة]] و[[تقانة حيوية|التقانة الحيوية]] و[[روبوتية|الإنساليات]]<ref>[http://www.svtii.com/files/MEMS-NEMS-SVTI.pdf Silicon Valley Polytechnic Institute (SVPTI)<!-- عنوان مولد بالبوت -->] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20080509131758/http://www.svtii.com/files/MEMS-NEMS-SVTI.pdf |date=09 مايو 2008}}</ref>.
'''كهروميكانيكا الصغائر''' حقل علمي قائم على تقنية [[تصنيع نبائط أشباه الموصلات|تصنيع أشباه الموصلات]] [[سيليكون|السيليكونية]] ويرمي إلى صناعة [[آلة|آلات]] صغائرية بالإفادة من تلك التقنية.وستجد هذه الآلات الصغائرية طلبا عليها عدة مجالات منها [[علوم الأرض والفضاء]] و[[مركبة|المركبات]] و[[أجهزة|الأجهزة]] و[[تقانة حيوية|التقانة الحيوية]] و[[روبوتية|الإنساليات]]<ref>[http://www.svtii.com/files/MEMS-NEMS-SVTI.pdf Silicon Valley Polytechnic Institute (SVPTI)<!-- عنوان مولد بالبوت -->] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20080509131758/http://www.svtii.com/files/MEMS-NEMS-SVTI.pdf |date=09 مايو 2008}}</ref>.


تعَد الأنظمة الكهروميكانيكيّة النانوية (إن إي إم إس)، فئة من فئات الأجهزة التي تعمل على دمج الوظائف الكهربائية والميكانيكية معًا وذلك على [[مقياس نانومتري|المقياس النانومتري]]. تُشكّل هذه الفئة الخطوةَ التالية لعملية التصغير المنطقية التي تُدعى بِ<nowiki/>[[نظم كهروميكانيكية صغرى|النظُم الكهروميكانيكية الصغرى]] أو (إم إي إم إس). عادةً ما تدمجُ الأنظمة الكهروميكانيكية النانوية، [[إلكترونيات نانوية|الإلكترونيات النانوية]] الشبيهة بالترانزستور مع مُشغّلات ميكانيكية أو مضخّات أو محركات، لذا تعمل على تشكيل [[مستشعر|مُستشعرات]] فيزيائية وبيولوجية وكيميائية. يُستمد الاسم من الأبعاد النموذجية للأجهزة في المجال النانوي، ما يؤدي إلى انخفاض الكتلة، وارتفاع ترددات الرنين الميكانيكي، واحتمالية وجود لآثار [[ميكانيكا الكم]] كثيرًا، كحركة النقطة صفر ([[هزاز توافقي (ميكانيكا الكم)|هزاز توافقي]])، وارتفاع نسبة السطح إلى الحجم المفيدة لآليات الاستشعار السطحية.<ref name="Ventra2004">{{cite book|title=Introduction to Nanoscale Science and Technology (Nanostructure Science and Technology)|publisher=Springer|location=Berlin|date=2004|isbn=978-1-4020-7720-3|url=https://books.google.com/books?id=mccEGiaPEJwC|author1=Hughes, James E. Jr.|author2=Ventra, Massimiliano Di|author3=Evoy, Stephane|authorlink2=Massimiliano Di Ventra}}</ref> تتضمّن التطبيقات [[مقياس تسارع]]، وأجهزة استشعار للكشف عن [[مادة كيميائية|المواد الميكانيكي]]<nowiki/>ة في الهواء.
== حواشٍ ==

== التاريخ ==

=== نظرة عامة ===
أشار الفيزيائي النظري [[ريتشارد فاينمان]] في حديثه الشهير عام 1959: «هناك مُتسع كبير في الأسفل». هناك العديد من التطبيقات المحتملة لآلات بأحجام أصغر وأصغر؛ وذلك عبر بناء الأجهزة والتحكّم فيها على مقاييسَ أصغر، إذ تفيد في ذلك كلُّ التكنولوجيا. تتضمّن تلك الفوائد المتوقّعة زيادةً في الكفاءة، وإنقاصًا في الحجم، وانخفاضًا في استهلاك الطاقة، وتكاليف إنتاج أقل في الأنظمة الكهروميكانيكية.<ref name="Ventra2004" />

في عام 1960، صنّع كل من المهندسَين [[محمد محمد عطا الله]]، وداون كانج -في [[مختبرات بل]] [[تصنيع عناصر أشباه الموصلات|لتصنيع عناصر أشباه الموصلات]]- ([[موسفت]]) الأول من نوعه، مع طبقة فاصلة بسماكة 100 نانومتر تُدعى أكسيد البوابة.<ref>{{cite book|last1=Sze|first1=Simon M.|author1-link=Simon Sze|title=Semiconductor Devices: Physics and Technology|date=2002|publisher=[[Wiley (publisher)|Wiley]]|isbn=0-471-33372-7|page=4|edition=2nd|url=http://www.fulviofrisone.com/attachments/article/453/Semiconductor.Devices_Physics.Technology_Sze.2ndEd_Wiley_2002.pdf}}</ref> وفي العام 1962، صنع عطا الله وكانج ترانزستور بِوَصلة أشباه الموصلات معدنية ذات قاعدة نانويّة، واستُخدم فيه غشاء رقيق من عنصر الذهب Au بسماكة 10 نانومتر. في عام 1987، قاد المهندس فيجان دافاري فريق أبحاث (آي بي إم) التي أظهرت للمرّة الأولى ترانزستور موسفت بطبقة أوكسيد فاصل سماكتها 10 نانومتر.<ref name="Davari1987">{{cite journal|last1=Davari|last8=Aboelfotoh|pages=61–62|date=1987|journal=1987 Symposium on VLSI Technology. Digest of Technical Papers|title=Submicron Tungsten Gate MOSFET with 10 nm Gate Oxide|first11=Michael R.|last11=Polcari|first10=Rajiv V.|last10=Joshi|first9=L.|last9=Krusin-Elbaum|first8=O.|first7=Matthew R.|first1=Bijan|last7=Wordeman|first6=Yuan|last6=Taur|first5=Chao-Kun|last5=Hu|first4=S.|last4=Basavaiah|first3=Kie Y.|last3=Ahn|first2=Chung-Yu|last2=Ting|author1-link=Bijan Davari|url=https://ieeexplore.ieee.org/document/4480422}}</ref> أتاحت ترانزستورات موسفت ذات الطبقات الفاصلة المتعددة المجال أمام التدرّج في طول القناة لما دون 20 نانومتر، وذلك بدءًا بترانزستور الأثر الحقلي للأكاسيد المعدنية لأشباه الموصلات (فاين إف إي تي)،<ref name="Liu">{{cite web
| url = https://people.eecs.berkeley.edu/~tking/presentations/KingLiu_2012VLSI-Tshortcourse
| title = FinFET: History, Fundamentals and Future
| date = June 11, 2012
| website = [[University of California, Berkeley]]
| publisher = Symposium on VLSI Technology Short Course
| accessdate = 9 July 2019
| first1 = Liu
| last1 = Tsu‐Jae King
| authorlink1 = Tsu-Jae King Liu
}}</ref> ينشأ ترانزستور (فاين إف إي تي) من بحث البروفسور ديغ هيساموتو في مختبر [[هيتاشي]] للأبحاث المركزية عام 1989.<ref name="Colinge">{{cite book|last1=Colinge|first1=J.P.|title=FinFETs and Other Multi-Gate Transistors|date=2008|publisher=Springer Science & Business Media|isbn=9780387717517|page=11|url=https://books.google.com/books?id=t1ojkCdTGEEC&pg=PA11}}</ref><ref>{{cite journal|last1=Hisamoto|first1=D.|last2=Kaga|first2=T.|last3=Kawamoto|first3=Y.|last4=Takeda|first4=E.|title=A fully depleted lean-channel transistor (DELTA)-a novel vertical ultra thin SOI MOSFET|journal=International Technical Digest on Electron Devices Meeting|date=December 1989|pages=833–836|doi=10.1109/IEDM.1989.74182}}</ref><ref>{{cite web
| url = https://www.ieee.org/about/awards/bios/grove-recipients.html
| title = IEEE Andrew S. Grove Award Recipients
| website = [[IEEE Andrew S. Grove Award]]
| publisher = [[Institute of Electrical and Electronics Engineers]]
| accessdate = 4 July 2019
}}</ref><ref name="intel">{{cite web
| url = https://www.intel.com/content/dam/www/programmable/us/en/pdfs/literature/wp/wp-01201-fpga-tri-gate-technology.pdf
| title = The Breakthrough Advantage for FPGAs with Tri-Gate Technology
| year = 2014
| publisher = [[Intel]]
| accessdate = 4 July 2019
}}</ref> صنعت مجموعة بقيادة البروفسور هيساموتو، والبرفسور الصيني تشينمينغ هيو من [[شركة تايوان لصناعة أشباه الموصلات المحدودة]] (تي. إس. إم. سي) -في [[جامعة كاليفورنيا (بركلي)]] عام 1998- أجهزة بطول قناة أقل؛ إذ يصل إلى 17 نانومترًا.<ref name="Liu" />

=== النظُم الكهروميكانيكيّة النانوية (إن إي إم إس) ===
أظهر فريق أبحاث (آي بي إم)، في العام 2000،<ref>{{cite journal|doi=10.1016/S0924-4247(99)00254-X|last4=Dürig|last9=Widmer|first8=R.|last8=Stutz|first7=H.|last7=Rothuizen|first6=M.|last6=Lutwyche|first5=W.|last5=Häberle|first4=U.|first3=U.|title=VLSI-NEMS chip for parallel AFM data storage|last3=Drechsler|first2=J.|last2=Brugger|pages=100–107|issue=2|volume=80|journal=Sensors and Actuators A: Physical|first1=M|last1=Despont|date=2000|first9=R.}}</ref> أول جهاز من نظام (إن إي إم إس)، أُطلق عليه اسم [[دارة التكامل الفائق]] (في إل إي آي). قامت فرضيّته الأساسية على معلومات [[مجهر القوة الذرية|مجهر القوة الذريّة]] (إيه إف إم)، الذي بإمكانه تسخين ركيزة قابلة للتشوّه واستشعارها بُغية توظيفه كجهاز ذاكرة. وصف ستيفان دي هان أجهزة أخرى.<ref>{{cite journal|last1=de Haan|first1=S.|journal=Nanotechnology Perceptions|volume=2|issue=3|date=2006|pages=267–275|issn=1660-6795|doi=10.4024/N14HA06.ntp.02.03|title=NEMS—emerging products and applications of nano-electromechanical systems}}</ref> وفي العام 2007، تضمّنت خارطة الطريق التقنية الدولية لأشباه الموصلات (آي تي آر إس)<ref>[http://www.itrs.net/ ITRS Home] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20151228041321/http://www.itrs.net/|date=2015-12-28}}. Itrs.net. Retrieved on 2012-11-24.</ref> ذاكرةً لنظام كهروميكانيكي نانومتري، باعتبارها مدخلًا جديدًا لقسم أجهزة الأبحاث الناشئة.

== مجهر القوة الذرية ==
يأتي التطبيق الرئيس لأنظمة (إن إي إم إس) من معلومات مجهر القوة الذرية (إيه إف إم)، إذ تؤدي حساسيته المتزايدة التي يحققها الترانزستور إلى الحصول على مُستشعرات أصغر حجمًا، وأكثر كفاءةً في عملية الكشف عن الإجهادات والاهتزازات والقوى على المستوى الذريّ والإشارات الكيميائية.<ref name="Evoy2004">{{cite book|author1=Massimiliano Ventra|author2=Stephane Evoy|author3=James R. Heflin|title=Introduction to Nanoscale Science and Technology|url=https://books.google.com/books?id=rtLHbR62xIUC|accessdate=24 November 2012|date=30 June 2004|publisher=Springer|isbn=978-1-4020-7720-3}}</ref> تعتمد كلٌّ من معلومات المجهر -وغيرها من عمليات الكشف على المستوى النانوي- اعتمادًا كبيرًا على أنظمة (إن إي إم إس).

== نهج التصغير ==
من الممكن العثور على نهجين متكاملين في تصنيع أنظمة (إن إي إم إس). إذ يستخدم نهج ال<nowiki/>[[تصميم أعلى أسفل وأسفل أعلى|تصميم أعلى أسفل]] أساليب التصنيع المُصغّر التقليدية، مثل استخدام [[طباعة ضوئية|الطباعة الضوئي]]<nowiki/>ة –وهي أحدث تقنيات الطباعة الحجرية-، والطباعة الحجرية بالحزمة الإلكترونية، والمعالجات الحراريّة في صنع الأجهزة المُصغرة. نظرًا لمحدودية استخدام تلك الأساليب، فإنها تسمح بالسيطرة على الهياكل الناتجة بدرجة كبيرة. وبهذه الطريقة تُصنع الأجهزة كالأسلاك النانوية، والأجسام النانوية، والهياكل النانوية المنقوشة من أفلام معدنية رقيقة، أو طبقات [[شبه موصل|أشباه الموصلات]] المحفورة.

على النقيض من ذلك، يَستخدم نهج ال<nowiki/>[[تصميم أعلى أسفل وأسفل أعلى|تصميم أسفل أعلى]] الخواص الكيميائية للجزيئات المفردة، لتؤدي إلى تشكيل مكونات جزيء واحد للتنظيم الذاتي، أو التجميع الذاتي في التشكيلات المفيدة، أو بالاعتماد على التجميع الموضعي. تستخدم مثل هذه النُهج أساليب [[تجميع ذاتي|التجميع الذاتي الجزيئي]] و/أو [[تعرف جزيئي|التعرّف الجُزيئي]]، وهذا ما يتيح لنا التصنيع بمقاييس أصغر بكثير، حتى وإن كنا ذلك في كثير من الأحيان على حساب السيطرة المحدودة على عملية التصنيع.

يمكن استخدام مزيج من هذه النُهج عبر دمج الجزيئات على المستوى النانوي في إطار عمل أعلى أسفل. إحدى التطبيقات العملية على ذلك هو [[محرك نانو أنابيب النانو|محرك النانو لأنابيب النانو]] الكربونية.{{citation needed|date=April 2016}}

== المواد ==

=== سبائك الكربون ===
تعتمد الكثير من المواد الشائعة الاستخدام في أنظمة (إن إي إم إس) على الكربون، وتحديدًا على [[ألماس|الألماس]]،<ref name="diamondQ">{{cite journal|doi=10.1038/ncomms4638|first2=J. M.|pmid=24710311|bibcode=2014NatCo...5.3638T|first4=C. L.|last4=Degen|first3=B. A.|last3=Moores|last2=Boss|arxiv=1212.1347|first1=Y.|last1=Tao|year=2014|volume=5|journal=Nature Communications|title=Single-crystal diamond nanomechanical resonators with quality factors exceeding one million|page=3638}}</ref><ref name="diamondfab">{{cite journal|doi=10.1002/adma.201301343|pmid=23798476|title=Facile Fabrication of Single-Crystal-Diamond Nanostructures with Ultrahigh Aspect Ratio|journal=Advanced Materials|volume=25|issue=29|pages=3962–7|year=2013|last1=Tao|first1=Ye|last2=Degen|first2=Christian}}</ref> و<nowiki/>[[أنابيب نانوية كربونية|الأنابيب النانوية الكربونية]]، [[غرافين|والغرافين]]، ويُعزى ذلك أساسًا إلى الخواص المفيدة للمواد القائمة على الكربون، التي تُلبي احتياجات (إن إي إم إس) مباشرةً. تُعتبر الخواص الميكانيكية للكربون مثل ([[معامل يونغ|معاملات يونغ]] الكبرى)، أساسية لاستقرار (إن إي إم إس)، في حين تسمح الموصلية المعدنية وموصلية أشباه الموصلات للمواد القائمة على الكربون بتأدية وظيفة كترانزستورات.

يكشف لنا كل من الألماس والغرافين عن معدّل ارتفاع معاملات يونغ وانخفاض الكثافة وانخفاض الاحتكاك والانخفاض الشديد للغاية في التبدد الميكانيكي وعن كِبَر المساحة السطحية.<ref>{{cite journal|doi=10.1126/science.1136836|first6=J. M.|bibcode=2007Sci...315..490B|pmid=17255506|pages=490–493|issue=5811|volume=315|journal=Science|first8=P. L.|last8=McEuen|first7=H. G.|last7=Craighead|last6=Parpia|title=Electromechanical Resonators from Graphene Sheets|first5=D. M.|last5=Tanenbaum|first4=I. W.|last4=Frank|first3=S. S.|last3=Verbridge|first2=A. M.|last2=Van Der Zande|first1=J. S.|last1=Bunch|date=2007|url=https://semanticscholar.org/paper/48e8d7f49fc4a3121428e0070028b308050f29e2}}</ref><ref name="Kis2008">{{cite journal|doi=10.1098/rsta.2007.2174|journal=Philosophical Transactions of the Royal Society A|archiveurl=https://web.archive.org/web/20110927163457/http://www.physics.berkeley.edu/research/zettl/pdf/343.Phil.Trans.R.SocA366-Kis.pdf|url-status=dead|bibcode=2008RSPTA.366.1591K|pages=1591–1611|issue=1870|volume=366|first2=A.|pmid=18192169|last2=Zettl|first1=A.|last1=Kis|date=2008|title=Nanomechanics of carbon nanotubes|url=http://www.physics.berkeley.edu/research/zettl/pdf/343.Phil.Trans.R.SocA366-Kis.pdf|archivedate=2011-09-27}}</ref> يسمح لنا الاحتكاك المنخفض للأنابيب النانوية الكربونية (سي إن تي) بتكوين محامل للاحتكاك المُصغر عمليًّا، لذا كان حافزًا كبيرًا نحو مزيد من التطبيقات العملية للأنابيب النانوية الكربونية كعناصر تأسيسية في (إن إي إم إس)، مثل [[محرك النانو]]، [[مفتاح كهربائي|المفاتيح الكهربائية]]، ومذبذبات التردد العالي. تتيح الأنابيب النانوية الكربونية، والقوة المادية للغرافين للمواد القائمة على الكربون أن تُلبي متطلبات الإجهاد المرتفع، في حين تفشل المواد الشائعة عادة، لذا تزيد من دعمها لاستخدامها مواد رئيسية في التطوير التكنولوجي لأنظمة (إن إي إم إس).<ref name="Hermann2008">{{cite journal|doi=10.1016/j.mee.2008.06.019|title=Controlling the formation of nanoparticles for definite growth of carbon nanotubes for interconnect applications|date=2008|last1=Hermann|first1=S|last2=Ecke|first2=R|last3=Schulz|first3=S|last4=Gessner|first4=T|journal=Microelectronic Engineering|volume=85|issue=10|pages=1979–1983}}</ref>

إلى جانب الفوائد الميكانيكية للمواد القائمة على الكربون، تسمح الخواص الكهربائية للأنابيب النانوية الكربونية والغرافين باستخدامها في العديد من المكونات الكهربائية لأنظمة (إن إي إم إس). طُوِرت الترانزستورات النانوية للأنابيب النانوية الكربونية<ref>{{cite journal|doi=10.1038/29954|bibcode=1998Natur.393...49T|date=1998|last1=Dekker|first1=Cees|last2=Tans|first2=Sander J.|last3=Verschueren|first3=Alwin R. M.|journal=Nature|volume=393|issue=6680|pages=49–52|title=Room-temperature transistor based on a single carbon nanotube}}</ref> جنبًا إلى جنب مع الغرافين.<ref name="Westervelt2008">{{cite journal|doi=10.1126/science.1156936|title=APPLIED PHYSICS: Graphene Nanoelectronics|date=2008|last1=Westervelt|first1=R. M.|journal=Science|volume=320|issue=5874|pages=324–325|pmid=18420920}}</ref> تُعد الترانزستورات وحدة البناء الرئيسة لجميع الأجهزة الإلكترونية، ولذلك يُعتبر العمل على التطوير الفعّال للترانزستورات والأنابيب النانوية الكربونية والغرافين القابلة للاستخدام في غاية الأهمية بالنسبة لأنظمة (إن إي إم إس).

==== الأنابيب النانوية الكربونية المعدنية (الفلزية) ====
تعد الأنابيب النانوية الكربونية (سي إن تي)، من خواص الكربون ذات البنية النانوية الاسطوانية. يمكن اعتبار الغرافين مُغلّفًا لها. عندما تتدحرج في زوايا محددة ومنفصلة ([[كيرالية]])، فإن الاتحاد بين زاوية الدحرجة ونصف القطر، وحده الذي يقرر ما إذا كان للأنبوب النانوي فجوة طاقيّة (شبه الموصلة) أو بلا فجوة طاقيّة (معدنيّة أو فلزّية).

اقتُرِحت الأنابيب النانوية الكربونية المعدنية لتُستخدم في التوصيلات الإلكترونية النانوية، نظرًا لقدرتها الكبيرة على تحمّل كثافات التيار العالي. تُعتبر خاصية مفيدةً؛ لأن الأسلاك التي تنقل التيّار هي لبنة البناء الأساسية لأي نظام كهربائي. وجدت الأنابيب النانوية الكربونية بشكل خاص الكثير من الاستخدامات في أنظمة (إن إي إم إس)، واكتُشِفت أيضًا أساليب وصل للأنابيب النانوية الكربونية المتعلقة بباقي البنى القائمة على الكربون التي تعمل حلقةَ وصل إضافة إلى ترانزستور أيضًا، فهي من مادة أساسيّة في المكوّنات الكهربائية للنظم الكهروميكانيكية الصغرى.<ref>{{cite journal|url=http://www.micro.mavt.ethz.ch/publications/Bauerdick2006|last5=Hierold|archiveurl=https://web.archive.org/web/20120323123849/http://www.micro.mavt.ethz.ch/publications/Bauerdick2006|url-status=dead|bibcode=2006JVSTB..24.3144B|page=3144|issue=6|volume=24|journal=Journal of Vacuum Science and Technology B|first5=C.|first4=T.|doi=10.1116/1.2388965|last4=Helbling|first3=C.|last3=Stampfer|first2=A.|last2=Linden|first1=S.|last1=Bauerdick|date=2006|title=Direct wiring of carbon nanotubes for integration in nanoelectromechanical systems|archivedate=2012-03-23}}</ref>

== مراجع ==
{{مراجع}}
{{مراجع}}
{{شريط بوابات|تقنية النانو}}
{{شريط بوابات|تقنية النانو}}

نسخة 11:28، 30 يناير 2020

جزء من سلسلة مقالات حول
إلكترونيات نانوية
إلكترونيات وحيدة الجزيئة
إلكترونيات الحالة الصلبة
مواضيع ذات صلة
شعار بوابة بوابة تقانة النانو

كهروميكانيكا الصغائر حقل علمي قائم على تقنية تصنيع أشباه الموصلات السيليكونية ويرمي إلى صناعة آلات صغائرية بالإفادة من تلك التقنية.وستجد هذه الآلات الصغائرية طلبا عليها عدة مجالات منها علوم الأرض والفضاء والمركبات والأجهزة والتقانة الحيوية والإنساليات[1].

تعَد الأنظمة الكهروميكانيكيّة النانوية (إن إي إم إس)، فئة من فئات الأجهزة التي تعمل على دمج الوظائف الكهربائية والميكانيكية معًا وذلك على المقياس النانومتري. تُشكّل هذه الفئة الخطوةَ التالية لعملية التصغير المنطقية التي تُدعى بِالنظُم الكهروميكانيكية الصغرى أو (إم إي إم إس). عادةً ما تدمجُ الأنظمة الكهروميكانيكية النانوية، الإلكترونيات النانوية الشبيهة بالترانزستور مع مُشغّلات ميكانيكية أو مضخّات أو محركات، لذا تعمل على تشكيل مُستشعرات فيزيائية وبيولوجية وكيميائية. يُستمد الاسم من الأبعاد النموذجية للأجهزة في المجال النانوي، ما يؤدي إلى انخفاض الكتلة، وارتفاع ترددات الرنين الميكانيكي، واحتمالية وجود لآثار ميكانيكا الكم كثيرًا، كحركة النقطة صفر (هزاز توافقي)، وارتفاع نسبة السطح إلى الحجم المفيدة لآليات الاستشعار السطحية.[2] تتضمّن التطبيقات مقياس تسارع، وأجهزة استشعار للكشف عن المواد الميكانيكية في الهواء.

التاريخ

نظرة عامة

أشار الفيزيائي النظري ريتشارد فاينمان في حديثه الشهير عام 1959: «هناك مُتسع كبير في الأسفل». هناك العديد من التطبيقات المحتملة لآلات بأحجام أصغر وأصغر؛ وذلك عبر بناء الأجهزة والتحكّم فيها على مقاييسَ أصغر، إذ تفيد في ذلك كلُّ التكنولوجيا. تتضمّن تلك الفوائد المتوقّعة زيادةً في الكفاءة، وإنقاصًا في الحجم، وانخفاضًا في استهلاك الطاقة، وتكاليف إنتاج أقل في الأنظمة الكهروميكانيكية.[2]

في عام 1960، صنّع كل من المهندسَين محمد محمد عطا الله، وداون كانج -في مختبرات بل لتصنيع عناصر أشباه الموصلات- (موسفت) الأول من نوعه، مع طبقة فاصلة بسماكة 100 نانومتر تُدعى أكسيد البوابة.[3] وفي العام 1962، صنع عطا الله وكانج ترانزستور بِوَصلة أشباه الموصلات معدنية ذات قاعدة نانويّة، واستُخدم فيه غشاء رقيق من عنصر الذهب Au بسماكة 10 نانومتر. في عام 1987، قاد المهندس فيجان دافاري فريق أبحاث (آي بي إم) التي أظهرت للمرّة الأولى ترانزستور موسفت بطبقة أوكسيد فاصل سماكتها 10 نانومتر.[4] أتاحت ترانزستورات موسفت ذات الطبقات الفاصلة المتعددة المجال أمام التدرّج في طول القناة لما دون 20 نانومتر، وذلك بدءًا بترانزستور الأثر الحقلي للأكاسيد المعدنية لأشباه الموصلات (فاين إف إي تي)،[5] ينشأ ترانزستور (فاين إف إي تي) من بحث البروفسور ديغ هيساموتو في مختبر هيتاشي للأبحاث المركزية عام 1989.[6][7][8][9] صنعت مجموعة بقيادة البروفسور هيساموتو، والبرفسور الصيني تشينمينغ هيو من شركة تايوان لصناعة أشباه الموصلات المحدودة (تي. إس. إم. سي) -في جامعة كاليفورنيا (بركلي) عام 1998- أجهزة بطول قناة أقل؛ إذ يصل إلى 17 نانومترًا.[5]

النظُم الكهروميكانيكيّة النانوية (إن إي إم إس)

أظهر فريق أبحاث (آي بي إم)، في العام 2000،[10] أول جهاز من نظام (إن إي إم إس)، أُطلق عليه اسم دارة التكامل الفائق (في إل إي آي). قامت فرضيّته الأساسية على معلومات مجهر القوة الذريّة (إيه إف إم)، الذي بإمكانه تسخين ركيزة قابلة للتشوّه واستشعارها بُغية توظيفه كجهاز ذاكرة. وصف ستيفان دي هان أجهزة أخرى.[11] وفي العام 2007، تضمّنت خارطة الطريق التقنية الدولية لأشباه الموصلات (آي تي آر إس)[12] ذاكرةً لنظام كهروميكانيكي نانومتري، باعتبارها مدخلًا جديدًا لقسم أجهزة الأبحاث الناشئة.

مجهر القوة الذرية

يأتي التطبيق الرئيس لأنظمة (إن إي إم إس) من معلومات مجهر القوة الذرية (إيه إف إم)، إذ تؤدي حساسيته المتزايدة التي يحققها الترانزستور إلى الحصول على مُستشعرات أصغر حجمًا، وأكثر كفاءةً في عملية الكشف عن الإجهادات والاهتزازات والقوى على المستوى الذريّ والإشارات الكيميائية.[13] تعتمد كلٌّ من معلومات المجهر -وغيرها من عمليات الكشف على المستوى النانوي- اعتمادًا كبيرًا على أنظمة (إن إي إم إس).

نهج التصغير

من الممكن العثور على نهجين متكاملين في تصنيع أنظمة (إن إي إم إس). إذ يستخدم نهج التصميم أعلى أسفل أساليب التصنيع المُصغّر التقليدية، مثل استخدام الطباعة الضوئية –وهي أحدث تقنيات الطباعة الحجرية-، والطباعة الحجرية بالحزمة الإلكترونية، والمعالجات الحراريّة في صنع الأجهزة المُصغرة. نظرًا لمحدودية استخدام تلك الأساليب، فإنها تسمح بالسيطرة على الهياكل الناتجة بدرجة كبيرة. وبهذه الطريقة تُصنع الأجهزة كالأسلاك النانوية، والأجسام النانوية، والهياكل النانوية المنقوشة من أفلام معدنية رقيقة، أو طبقات أشباه الموصلات المحفورة.

على النقيض من ذلك، يَستخدم نهج التصميم أسفل أعلى الخواص الكيميائية للجزيئات المفردة، لتؤدي إلى تشكيل مكونات جزيء واحد للتنظيم الذاتي، أو التجميع الذاتي في التشكيلات المفيدة، أو بالاعتماد على التجميع الموضعي. تستخدم مثل هذه النُهج أساليب التجميع الذاتي الجزيئي و/أو التعرّف الجُزيئي، وهذا ما يتيح لنا التصنيع بمقاييس أصغر بكثير، حتى وإن كنا ذلك في كثير من الأحيان على حساب السيطرة المحدودة على عملية التصنيع.

يمكن استخدام مزيج من هذه النُهج عبر دمج الجزيئات على المستوى النانوي في إطار عمل أعلى أسفل. إحدى التطبيقات العملية على ذلك هو محرك النانو لأنابيب النانو الكربونية.[بحاجة لمصدر]

المواد

سبائك الكربون

تعتمد الكثير من المواد الشائعة الاستخدام في أنظمة (إن إي إم إس) على الكربون، وتحديدًا على الألماس،[14][15] والأنابيب النانوية الكربونية، والغرافين، ويُعزى ذلك أساسًا إلى الخواص المفيدة للمواد القائمة على الكربون، التي تُلبي احتياجات (إن إي إم إس) مباشرةً. تُعتبر الخواص الميكانيكية للكربون مثل (معاملات يونغ الكبرى)، أساسية لاستقرار (إن إي إم إس)، في حين تسمح الموصلية المعدنية وموصلية أشباه الموصلات للمواد القائمة على الكربون بتأدية وظيفة كترانزستورات.

يكشف لنا كل من الألماس والغرافين عن معدّل ارتفاع معاملات يونغ وانخفاض الكثافة وانخفاض الاحتكاك والانخفاض الشديد للغاية في التبدد الميكانيكي وعن كِبَر المساحة السطحية.[16][17] يسمح لنا الاحتكاك المنخفض للأنابيب النانوية الكربونية (سي إن تي) بتكوين محامل للاحتكاك المُصغر عمليًّا، لذا كان حافزًا كبيرًا نحو مزيد من التطبيقات العملية للأنابيب النانوية الكربونية كعناصر تأسيسية في (إن إي إم إس)، مثل محرك النانو، المفاتيح الكهربائية، ومذبذبات التردد العالي. تتيح الأنابيب النانوية الكربونية، والقوة المادية للغرافين للمواد القائمة على الكربون أن تُلبي متطلبات الإجهاد المرتفع، في حين تفشل المواد الشائعة عادة، لذا تزيد من دعمها لاستخدامها مواد رئيسية في التطوير التكنولوجي لأنظمة (إن إي إم إس).[18]

إلى جانب الفوائد الميكانيكية للمواد القائمة على الكربون، تسمح الخواص الكهربائية للأنابيب النانوية الكربونية والغرافين باستخدامها في العديد من المكونات الكهربائية لأنظمة (إن إي إم إس). طُوِرت الترانزستورات النانوية للأنابيب النانوية الكربونية[19] جنبًا إلى جنب مع الغرافين.[20] تُعد الترانزستورات وحدة البناء الرئيسة لجميع الأجهزة الإلكترونية، ولذلك يُعتبر العمل على التطوير الفعّال للترانزستورات والأنابيب النانوية الكربونية والغرافين القابلة للاستخدام في غاية الأهمية بالنسبة لأنظمة (إن إي إم إس).

الأنابيب النانوية الكربونية المعدنية (الفلزية)

تعد الأنابيب النانوية الكربونية (سي إن تي)، من خواص الكربون ذات البنية النانوية الاسطوانية. يمكن اعتبار الغرافين مُغلّفًا لها. عندما تتدحرج في زوايا محددة ومنفصلة (كيرالية)، فإن الاتحاد بين زاوية الدحرجة ونصف القطر، وحده الذي يقرر ما إذا كان للأنبوب النانوي فجوة طاقيّة (شبه الموصلة) أو بلا فجوة طاقيّة (معدنيّة أو فلزّية).

اقتُرِحت الأنابيب النانوية الكربونية المعدنية لتُستخدم في التوصيلات الإلكترونية النانوية، نظرًا لقدرتها الكبيرة على تحمّل كثافات التيار العالي. تُعتبر خاصية مفيدةً؛ لأن الأسلاك التي تنقل التيّار هي لبنة البناء الأساسية لأي نظام كهربائي. وجدت الأنابيب النانوية الكربونية بشكل خاص الكثير من الاستخدامات في أنظمة (إن إي إم إس)، واكتُشِفت أيضًا أساليب وصل للأنابيب النانوية الكربونية المتعلقة بباقي البنى القائمة على الكربون التي تعمل حلقةَ وصل إضافة إلى ترانزستور أيضًا، فهي من مادة أساسيّة في المكوّنات الكهربائية للنظم الكهروميكانيكية الصغرى.[21]

مراجع

  1. ^ Silicon Valley Polytechnic Institute (SVPTI) نسخة محفوظة 2008-05-09 في Wayback Machine
  2. ^ ا ب Hughes, James E. Jr.؛ Ventra, Massimiliano Di؛ Evoy, Stephane (2004). Introduction to Nanoscale Science and Technology (Nanostructure Science and Technology). Berlin: Springer. ISBN:978-1-4020-7720-3.
  3. ^ Sze، Simon M. (2002). Semiconductor Devices: Physics and Technology (PDF) (ط. 2nd). Wiley. ص. 4. ISBN:0-471-33372-7.
  4. ^ Davari، Bijan؛ Ting، Chung-Yu؛ Ahn، Kie Y.؛ Basavaiah، S.؛ Hu، Chao-Kun؛ Taur، Yuan؛ Wordeman، Matthew R.؛ Aboelfotoh، O.؛ Krusin-Elbaum، L.؛ Joshi، Rajiv V.؛ Polcari، Michael R. (1987). "Submicron Tungsten Gate MOSFET with 10 nm Gate Oxide". 1987 Symposium on VLSI Technology. Digest of Technical Papers: 61–62.
  5. ^ ا ب Tsu‐Jae King، Liu (11 يونيو 2012). "FinFET: History, Fundamentals and Future". University of California, Berkeley. Symposium on VLSI Technology Short Course. اطلع عليه بتاريخ 2019-07-09.
  6. ^ Colinge، J.P. (2008). FinFETs and Other Multi-Gate Transistors. Springer Science & Business Media. ص. 11. ISBN:9780387717517.
  7. ^ Hisamoto، D.؛ Kaga، T.؛ Kawamoto، Y.؛ Takeda، E. (ديسمبر 1989). "A fully depleted lean-channel transistor (DELTA)-a novel vertical ultra thin SOI MOSFET". International Technical Digest on Electron Devices Meeting: 833–836. DOI:10.1109/IEDM.1989.74182.
  8. ^ "IEEE Andrew S. Grove Award Recipients". IEEE Andrew S. Grove Award. Institute of Electrical and Electronics Engineers. اطلع عليه بتاريخ 2019-07-04.
  9. ^ "The Breakthrough Advantage for FPGAs with Tri-Gate Technology" (PDF). Intel. 2014. اطلع عليه بتاريخ 2019-07-04.
  10. ^ Despont، M؛ Brugger، J.؛ Drechsler، U.؛ Dürig، U.؛ Häberle، W.؛ Lutwyche، M.؛ Rothuizen، H.؛ Stutz، R.؛ Widmer، R. (2000). "VLSI-NEMS chip for parallel AFM data storage". Sensors and Actuators A: Physical. ج. 80 ع. 2: 100–107. DOI:10.1016/S0924-4247(99)00254-X.
  11. ^ de Haan، S. (2006). "NEMS—emerging products and applications of nano-electromechanical systems". Nanotechnology Perceptions. ج. 2 ع. 3: 267–275. DOI:10.4024/N14HA06.ntp.02.03. ISSN:1660-6795.
  12. ^ ITRS Home نسخة محفوظة 2015-12-28 في Wayback Machine. Itrs.net. Retrieved on 2012-11-24.
  13. ^ Massimiliano Ventra؛ Stephane Evoy؛ James R. Heflin (30 يونيو 2004). Introduction to Nanoscale Science and Technology. Springer. ISBN:978-1-4020-7720-3. اطلع عليه بتاريخ 2012-11-24.
  14. ^ Tao، Y.؛ Boss، J. M.؛ Moores، B. A.؛ Degen، C. L. (2014). "Single-crystal diamond nanomechanical resonators with quality factors exceeding one million". Nature Communications. ج. 5: 3638. arXiv:1212.1347. Bibcode:2014NatCo...5.3638T. DOI:10.1038/ncomms4638. PMID:24710311.
  15. ^ Tao، Ye؛ Degen، Christian (2013). "Facile Fabrication of Single-Crystal-Diamond Nanostructures with Ultrahigh Aspect Ratio". Advanced Materials. ج. 25 ع. 29: 3962–7. DOI:10.1002/adma.201301343. PMID:23798476.
  16. ^ Bunch، J. S.؛ Van Der Zande، A. M.؛ Verbridge، S. S.؛ Frank، I. W.؛ Tanenbaum، D. M.؛ Parpia، J. M.؛ Craighead، H. G.؛ McEuen، P. L. (2007). "Electromechanical Resonators from Graphene Sheets". Science. ج. 315 ع. 5811: 490–493. Bibcode:2007Sci...315..490B. DOI:10.1126/science.1136836. PMID:17255506.
  17. ^ Kis، A.؛ Zettl، A. (2008). "Nanomechanics of carbon nanotubes" (PDF). Philosophical Transactions of the Royal Society A. ج. 366 ع. 1870: 1591–1611. Bibcode:2008RSPTA.366.1591K. DOI:10.1098/rsta.2007.2174. PMID:18192169. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2011-09-27.
  18. ^ Hermann، S؛ Ecke، R؛ Schulz، S؛ Gessner، T (2008). "Controlling the formation of nanoparticles for definite growth of carbon nanotubes for interconnect applications". Microelectronic Engineering. ج. 85 ع. 10: 1979–1983. DOI:10.1016/j.mee.2008.06.019.
  19. ^ Dekker، Cees؛ Tans، Sander J.؛ Verschueren، Alwin R. M. (1998). "Room-temperature transistor based on a single carbon nanotube". Nature. ج. 393 ع. 6680: 49–52. Bibcode:1998Natur.393...49T. DOI:10.1038/29954.
  20. ^ Westervelt، R. M. (2008). "APPLIED PHYSICS: Graphene Nanoelectronics". Science. ج. 320 ع. 5874: 324–325. DOI:10.1126/science.1156936. PMID:18420920.
  21. ^ Bauerdick، S.؛ Linden، A.؛ Stampfer، C.؛ Helbling، T.؛ Hierold، C. (2006). "Direct wiring of carbon nanotubes for integration in nanoelectromechanical systems". Journal of Vacuum Science and Technology B. ج. 24 ع. 6: 3144. Bibcode:2006JVSTB..24.3144B. DOI:10.1116/1.2388965. مؤرشف من الأصل في 2012-03-23.
أيقونة بذرة

هذه بذرة مقالة عن التقانة النانوية بحاجة للتوسيع. فضلًا شارك في تحريرها.

مجلوبة من «https://ar.wikipedia.org/w/index.php?title=كهروميكانيكا_الصغائر&oldid=43209225»