Un problema de larga data en el diseño de interruptores electromecánicos a nanoescala es la tendencia a que los contactos de metal a metal se peguen, bloquear el interruptor en una posición "on". Farnaz Niroui, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica del MIT, ha encontrado una manera de explotar esa tendencia a crear electrodos con separaciones delgadas en nanómetros. Al diseñar un voladizo que pueda colapsar y adherirse permanentemente a una estructura de soporte durante el proceso de fabricación, El proceso de Niroui deja un espacio a nanoescala controlable entre el voladizo y los electrodos vecinos al punto de adhesión.

Niroui, que trabaja en el Laboratorio de Electrónica Orgánica y Nanoestructurada del Profesor Vladimir Bulović (ONE Lab), presentó sus hallazgos más recientes el 20 de enero en la conferencia IEEE Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) en Portugal. Los colaboradores del MIT incluyen a los profesores Jeffrey Lang en ingeniería eléctrica y Timothy M. Swager en química. Su artículo se titula "Fabricación controlada de huecos a nanoescala utilizando stiction".

Stiction, como se llama adherencia permanente, es un desafío muy importante en los sistemas electromecánicos y, a menudo, resulta en fallas del dispositivo. Niroui aprovechó la rigidez al usar una estructura de soporte para hacer huecos a nanoescala. "Inicialmente, el voladizo se fabrica con un espacio relativamente más grande que es más fácil de fabricar, pero luego modulamos las fuerzas de adherencia superficial para poder provocar un colapso entre el voladizo y el soporte. Mientras el voladizo colapsa, este espacio se reduce a un ancho mucho más pequeño que el estampado, " ella explica.

"Podemos obtener brechas de menos de 10 nanómetros, ", dice." Es controlable porque al elegir el diseño del voladizo, controlando sus propiedades mecánicas y la colocación de los otros electrodos, podemos obtener espacios de diferente tamaño. Esto es útil no solo para nuestra aplicación, que se encuentra en la tunelización de interruptores electromecánicos, pero también para la electrónica molecular y los interruptores electromecánicos basados ​​en contactos. Es un enfoque general para desarrollar brechas a nanoescala ".

El último trabajo de Niroui se basa en su trabajo anterior que muestra un diseño para un interruptor apretable, o "squitch", que llena el estrecho espacio entre los contactos con una capa molecular orgánica que se puede comprimir lo suficientemente fuerte como para permitir que la corriente fluya. o fluir, de un electrodo a otro sin contacto directo, la posición "encendido", pero que saltará hacia atrás para abrir un espacio lo suficientemente amplio como para que la corriente no pueda fluir entre los electrodos, la posición "apagado". Cuanto más blando es el material de relleno, menos voltaje se necesita para comprimirlo. El objetivo es un interruptor de bajo consumo con un comportamiento de conmutación abrupto repetible que pueda complementar o reemplazar a los transistores convencionales.

Niroui diseñó, fabricado probado, y caracterizó el interruptor en voladizo en el que un electrodo está fijo y el otro móvil con el espacio de conmutación lleno de una capa molecular. Presentó sus hallazgos iniciales en la Conferencia IEEE MEMS en San Francisco el año pasado en un documento titulado, "Interruptores de túnel nanoelectromecánicos basados ​​en capas moleculares autoensambladas". "Estamos trabajando ahora mismo en diseños alternativos para lograr un rendimiento de conmutación optimizado, "Dice Niroui.

"Para mi, Uno de los aspectos interesantes del proyecto es el hecho de que los dispositivos están diseñados en dimensiones muy pequeñas, "Niroui agrega, observando que la brecha de tunelización entre los electrodos es de solo unos pocos nanómetros. Ella usa microscopía electrónica de barrido en el Centro de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT para obtener imágenes de las estructuras de electrodos recubiertos de oro y los nanogaps, mientras se utilizan mediciones eléctricas para verificar el efecto de la presencia de las moléculas en el espacio de conmutación.

Construyendo su interruptor sobre una base de silicio / óxido de silicio, Niroui agregó una capa superior de PMMA, un polímero que es sensible a los haces de electrones. Luego utilizó la litografía por haz de electrones para modelar la estructura del dispositivo y eliminar el exceso de PMMA. Usó un evaporador térmico para recubrir la estructura del interruptor con oro. El oro fue el material elegido porque permite que las moléculas tioladas se autoensamblen en el espacio, el paso de montaje final.

Para la demostración inicial de la corriente de túnel, Niroui usó una molécula lista para usar en el espacio entre los electrodos. Continúa el trabajo con los colaboradores en el laboratorio de química de Swager para sintetizar nuevas moléculas con propiedades mecánicas óptimas para optimizar el rendimiento de la conmutación.

"Nuestro proyecto utiliza este diseño para tener dos electrodos metálicos con una sola capa de moléculas en el medio, "Niroui explica." Utilizamos el autoensamblaje de moléculas que permite que la brecha se fabrique muy pequeña. Al elegir la molécula y sus propiedades, como la longitud molecular, podemos controlar el espesor de la brecha con mucha precisión en el régimen de pocos nanómetros. La razón por la que queremos que el espacio sea pequeño es que nos permite reducir el voltaje de conmutación. Cuanto menor sea la brecha, cuanto menor sea el voltaje de conmutación y menos energía consumirá para encender y apagar su dispositivo, lo cual es muy deseable ".

Las moléculas que llenan el espacio actúan como pequeños resortes. Cuando se aplica una fuerza electrostática, los electrodos comprimen el relleno, aplastando todas las moléculas. "Estas moléculas evitarán que los dos metales entren en contacto. Al mismo tiempo, la capa comprimida proporcionará una fuerza restauradora, por lo que evitará el típico problema de adherencia adhesión permanente entre los dos electrodos, que por lo demás es muy común en los sistemas electromecánicos, " ella dice.

Los interruptores electromecánicos de túnel funcionan controlando el espacio entre dos electrodos metálicos que nunca entran en contacto directo. "Siempre habrá un espacio entre los dos electrodos. Debido al espacio, la corriente que modula es la corriente de túnel, "Dice Niroui.

Niroui probó una versión de su dispositivo original sin un relleno de espacio molecular y los dos electrodos se pegaron inmediatamente. Llenando el hueco, Las pruebas de corriente-voltaje mostraron características que eran reproducibles y repetibles, por lo que los dispositivos no se cortaron. "Al compararlos con modelos teóricos, observamos que obtenemos cierta compresión de las moléculas, y extraemos propiedades mecánicas de moléculas que coinciden con lo reportado experimentalmente en la literatura, ", dice. Si bien el dispositivo estableció una prueba de concepto, se necesitan mejoras en el material de relleno para un uso práctico.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.