NEMS – NanoElectroMechanical Systems |簡単な概要
NEMS（NanoElectroMechanical Systemの略）は、電気的および機械的機能をナノスケール、つまり100ナノメートル以下で統合するデバイスです。
これらは、MEMS（MicroElectroMechanical System）に続く高度な小型化であり、通常、サイズが1〜100ナノメートルのコンポーネントを処理します。
NEMSにはいくつかの魅力的な属性があります。マイクロ波範囲の基本周波数、アトニュートンレベルの力感度、ヨクトカロリよりはるかに低い熱容量、フェムトグラム範囲のアクティブ質量、個々の分子レベルの質量感度へのアクセスを提供できます。リストは続きます。
>NEMSには主に、アクチュエータ、センサー、共振器、ビーム、センサー、モーターなどの装置が含まれています。これらのコンポーネントは、ある形式のエネルギーを別の形式に変換し、それを簡単に測定して利用することができます。
NEMSの初期の例
最初のNEMSは、1960年にベル研究所のDawonKahngとMohamedM。Atallaによって構築されました。これは、ゲート酸化物の厚さが100 nmのMOSFET（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）でした。
2年後、彼らは10nmの厚さの金膜を含むナノ層ベースの金属-半導体接合トランジスタの製造に成功しました。ただし、ゲート酸化物が10 nmの最初のMOSFETは、1987年まで登場しませんでした。
MOSFETの図で、本体（B）、ソース（S）、ゲート（G）、およびドレイン（D）端子を示しています。
1989年のマルチゲートMOSFETの発明により、Intel、IBM、AMD、Samsung Electronicsなどのいくつかの企業が、これまでになく小型のマイクロプロセッサとメモリセルを作成できるようになりました。
VLSI（超大規模集積回路）プロセスにより、1つのチップ上に数百万のMOSトランジスタを組み合わせることが可能になりました。これらの集積回路は1970年代に広く採用され、複雑な半導体や通信技術の開発を可能にしました。
CPU、GPU、RAM、ROM、およびその他のグルーロジックはすべてVLSIデバイスです。 VLSIプロセスが発明される前は、ほとんどの集積回路は限られた数のタスクしか実行できませんでした。
100万個を超えるトランジスタを搭載した80486マイクロプロセッサ（1990年代から）
MOSFETは現在、現代の電子機器の基本的な構成要素と見なされています。 1960年代以降、トランジスタ密度の向上、パフォーマンスの向上、および集積回路の消費電力の削減に大きく貢献してきました。
MOSFETは、歴史上最も製造されたデバイスの1つでもあります。 2018年の時点で、約13兆（または13,000兆）のMOSFETが製造されています。
NEMSデバイスはどのように製造されていますか？
NEMSは、2つの補完的なアプローチを使用して作成できます。
トップダウンアプローチ： 電子ビームまたは光ビームリソグラフィーや熱処理などの従来の微細加工技術を使用して、デバイスを構築します。結果として得られる構造をより細かく制御できますが、使用されている手法の解像度によって制限されます。
このアプローチでは、出発材料はシリコン結晶などの比較的大きな構造です。一般に、エッチングされた半導体層または金属薄膜は、ナノロッド、ナノワイヤー、パターン化されたナノ構造などのNEMSデバイスの製造に使用されます。
場合によっては、大きな材料をナノメートルスケールに粉砕して表面積対体積比を増加させ、最終的にナノ材料の反応性を高めます。アークオーブンでグラファイトを使用したカーボンナノチューブの製造プロセスは、トップダウンアプローチの完璧な例です。
ボトムアップアプローチ： 分子の化学的特性を使用して、分子を目的のコンフォメーションに編成または組み立てます。これらのアプローチは、分子認識（2つ以上の分子間の特定の相互作用）または分子の自己組織化（外部方向なし）の概念に依存しています。
製造プロセスの制御は制限されますが、トップダウンのアプローチと比較して、多くの材料を無駄にすることなく、はるかに小さな構造を構築できます。
ボトムアップアプローチは、自然界にも見られます。たとえば、生物学的システムは化学的な力を利用して、生命に必要な細胞構造を生成します。研究者は、この自然の振る舞いを模倣して、いくつかの有用な構造に自己組織化できる特定の原子のクラスターを作成しようとします。
このようなアプローチの良い例の1つは、金属触媒による重合技術を使用したカーボンナノチューブの製造です。
NEMSの作成に使用される材料
1。ポリジメチルシロキサン
ポリジメチルシロキサンは、最も使用されているシリコンベースの有機ポリマーです。このシリコーンエラストマーは、その独特の特性で知られています。熱的に安定しており、化学的に不活性で、機械的に構成可能で、光学的に透明で、一般に、毒性がなく、不活性で、不燃性です。
シリコンと緊密なシールを形成できるため、NEMSに統合して、電気的特性と機械的特性の両方を構成できます。ポリジメチルシロキサンの接着力は、さまざまな湿度の高い環境で優れた性能を発揮し、シリコンと比較して低い摩擦係数を備えています。
ポリジメチルシロキサンは摩擦係数が低く、疎水性があるため、NEMS研究に組み込むのに最適な材料です。また、時間効率が高く安価な製造により、NEMSテクノロジーでも注目を集めています。
研究によると、光、熱、および放射線によるポリジメチルシロキサンの分解速度は、適切なパッケージングと優れた老化安定性によって遅くなる可能性があります。
2。カーボンベースの素材
単層カーボンナノチューブの走査型トンネル顕微鏡写真|クレジット：NIST
炭素同素体、特にグラフェンとカーボンナノチューブは、NEMS技術で広く使用されています。それらの特性は、NEMSの要件を直接満たしています。たとえば、炭素同素体の半導体と金属の導電率により、トランジスタとして動作することができます。
カーボン同素体の機械的倍率に加えて、グラフェンとカーボンナノチューブの電気的特性により、NEMSのいくつかのコンポーネントで使用できます。グラフェンとカーボンナノチューブの物理的強度は、より高い応力要求を満たします。したがって、これらは主にNEMS技術開発で使用されます。
グラフェンNEMSは質量および力センサーとして機能しますが、カーボンナノチューブNEMSは、ナノモーター（ピコニュートンのオーダーの力を生成する）、スイッチ、および高周波発振器で広く利用されています。
3。生物学的機械
がんと闘うナノロボットのイラスト
ミオシン（筋収縮を処理する）などの生物学的機械は、細胞内に見られる最も複雑な高分子機械であり、通常は多タンパク質複合体の形をしています。
それらのいくつかはエネルギー生産に責任があり、いくつかは遺伝子発現に責任があります。それらはナノメディシンにおいて重要な役割を果たすかもしれません。たとえば、腫瘍細胞を検出して破壊するために使用できます。
分子ナノテクノロジーは、原子スケールで物質を再配列する可能性のある生物学的機械を設計する可能性を探求するナノテクノロジーの新しい分野です。 BioNEMSには、生物医学/ロボット用途向けの生物学的および合成構造要素（ナノスケールサイズ）が含まれています。たとえば、ナノロボットを体内に注入して、感染を特定して修復することができます。
ナノロボットや分子アセンブラなど、BioNEMSの提案された要素は現在の機能をはるかに超えていますが、いくつかの研究により、将来のアプリケーションに有望な結果が得られています。
読む：プログラムされたDNAナノロボットは腫瘍を減らすことができる
アプリケーション
NEMSは、現在マイクロスケール技術では実現できない方法でライフサイエンスとエンジニアリングを融合させる、実現可能なテクノロジーとして機能します。さまざまな業界に大きな影響を与えます：
半導体産業： 最も広く使用されている半導体デバイスはMOSFETです。全トランジスタの99.9％を占めています。 CPUまたはDRAMデバイスのトランジスタのゲート長を考慮すると、集積回路の臨界長さスケールはすでに50ナノメートル未満です。最近のシリコンMOSFETは、10nmおよび7nmプロセスを利用するフィン電界効果トランジスタに基づいています。
自動車： ナノシート、ナノファイバーナノチューブ、ナノワイヤー、ナノロッドなどのナノ材料は、自動車分野でいくつかの利点を提供します。たとえば、ナノ添加剤は、タイヤの寿命を大幅に改善するだけでなく、耐摩耗性、転がり抵抗、およびウェットトラクションを向上させることができます。 NEMSは、次世代の水素自動車の燃料電池性能を向上させるための鍵でもあります。
コミュニケーション： 独自の機械的特性（高共振周波数と高周波調整可能性を可能にする）により、グラフェン共振器を含むNEMS共振器は、将来の超高速通信システムの有望な基盤を提供します。ただし、この分野での開発のほとんどは、現在、理論モデル、シミュレーション、および実験室での実験に限定されています。
圧電NEMS共振器用のグラフェン電極|画像クレジット：ノースイースタン大学
医療セクター： NEMSセンサーは、水位、血糖値、さまざまなタンパク質やイオンの存在など、患者のデータを検出および監視します。これらのセンサーは、ヒトアルブミンからベータ-2-ミクログロブリンに至るまでの特定のタンパク質を識別するように構成できます。モニタリングに加えて、さまざまなサイズの細胞を分離し、マイクロ流体システムの目詰まりを防ぐことができます。
エネルギー貯蔵と生産： ナノテクノロジーは、リチウムイオン電池の寿命と性能を向上させるための大きな期待を抱いています。また、バッテリーの安定性と安全性を向上させながら、電力密度を高め、再充電時間を短縮し、重量とサイズを削減する可能性もあります。
さらに、エネルギーを生成するために、ガルバニ電池や燃料電池などのナノスケールの電気化学デバイスを使用する研究が進行中です。それらは、生体内の血糖値から電力を引き出すバイオナノジェネレーターです（体が食物からエネルギーを生成するのと同じ方法で）。
従来の平面シリコン太陽電池よりも効率的で安価な太陽電池を開発することを目的として、いくつかのナノ構造材料、特にナノワイヤーに関する研究もあります。
グローバル市場と将来
NEMSデバイスの現在の市場はまだ揺籃期にあります。ナノピンセット、ナノ共振器、ジャイロスコープ、ナノセンサー、ナノロボット、ナノピンセット、およびその他の小さなコンポーネントに分割されています。
高い共振周波数、低いエネルギー消費、シングルチップ上の複数の周波数、集積回路のサイズとコストの削減など、NEMSの利点に起因する、今後数年間で力強い成長が見込まれます。
読む：MEMS（MicroElectroMechanical System）とは何ですか？タイプとアプリケーション
ナノマテリアルとナノテクノロジーの分野での研究開発が進行中です。レポートによると、世界のNEMS市場は29％のCAGRで成長すると予想されます。 2022年までに1億888万ドルに達し、北米が市場をリードします。
よくある質問
MEMSとNEMSの違いは何ですか？
MEMS（微小電気機械システム）は、1μmから100μmのサイズ範囲のコンポーネントで構成されています。 MEMSデバイスには通常、中央処理装置（マイクロプロセッサなど）と、周囲と相互作用する複数のコンポーネント（マイクロセンサーなど）が含まれています。
一方、NEMS（Nanoelectromechanical systems）は、MEMSの次の論理的な小型化ステップです。これらのデバイスは、厳密に1〜100nmのナノスケールで機械的および電気的機能を統合します。
NEMSの主な利点は何ですか？
NEMSには、以前のMEMSとは大きく異なる、ユニークで興味深い特性があります。たとえば、彼らは持つことができます
- マイクロ波範囲の基本周波数（約100 GHz）
- フェムトグラム範囲のアクティブ質量（10 -15 g）
- アトグラムレベルまでの質量感度（10 -18 g）
- アトニュートンレベルでの力の感度（10 -18 ニュートン）
- ヨクトカロリエをはるかに下回る熱容量（4.184 x 10 +24 J）
- 10アトワットのオーダーの消費電力（10 -18 ワット）
- 低エネルギー散逸
- 非常に高い統合レベルで、1平方センチメートルあたり1,012要素に近づいています
読む：14ナノテクノロジーのなじみのない使用法|メリットとアプリケーション
ナノセンサーは何でできていますか？
ナノセンサーは、ナノチューブやナノワイヤーなどの一次元ナノ材料でできています。
これらの小さなデバイスは、体積、濃度、温度、圧力、または電気力や磁力などの物理的特性を測定します。最も一般的なナノセンサーの読み取りには、機械的、振動的、光学的、または電磁的が含まれます。
産業技術