NEMS（ナノ電気機械システム）解説：主要特徴と応用

NEMS（NanoElectroMechanical System、ナノ電気機械システムの略）は、ナノスケール、すなわち100ナノメートル以下で電気的および機械的機能を統合するデバイスです。

これらは、通常1〜100ナノメートルのサイズのコンポーネントを扱うMEMS（MicroElectroMechanical System、微小電気機械システム）の次の段階の微細化です。

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へのアクセス、アトニュートンレベルの力感度、ヨクトカロリーをはるかに下回る熱容量、フェムトグラム範囲の活性質量、個々の分子レベルの質量感度など、挙げればきりがありません。

NEMS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で構成されます。これらのコンポーネントはエネルギーの一形態を別の形態に変換し、それを容易に測定・利用できます。

NEMSの初期事例

最初のNEMSは、1960年にBell LabsのDawon KahngとMohamed M. Atallaによって構築されました。ゲート酸化膜厚100nmのMOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）でした。

2年後、彼らは厚さ10nm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。しかし、ゲート酸化膜厚10nmの最初のMOSFETが登場したのは1987年のことです。

ボディ（B）、ソース（S）、ゲート（G）、ドレイン（D）端子を示すMOSFETのイラスト。

1989年のマルチゲートMOSFETの発明により、Intel、IBM、AMD、Samsung Electronicsなどの複数の企業が、さらに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）プロセスにより、数百万個のMOSトランジスタを単一チップに結合す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、複雑な半導体と通信技術の開発を可能にしました。

CPU、GPU、RAM、 ROM、その他のグルーロジックはすべてVLSIデバイスです。VLSIプロセスの発明以前は、ほとんどの集積回路は限られたタスクしか実行できませんでした。

100万個以上のトランジスタを搭載した80486マイクロプロセッサ（1990年代）

MOSFETは現在、現代エレクトロニクスの基本構成要素と見なされています。1960年代以来、トランジスタ密度の向上、性能改善、集積回路の消費電力削減の主要な要因となっています。

MOSFETはまた、歴史上最も多く製造されたデバイスの一つです。2018年現在、約13垓（13,000兆）個のMOSFETが製造されています。

NEMSデバイスの製造方法

NEMSは2つの補完的なアプローチで製造できます：

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、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に対する制御性が高い反面、使用される技術の解像度によって制限されます。

このアプローチでは、シリコン結晶などの比較的大きな構造から開始します。一般的に、エッチングされた半導体層や金属薄膜を使用して、ナノロッド、ナノワイヤ、パターン化ナノ構造などのNEMSデバイスを製造します。

場合によっては、大きな材料をナノメートルスケールまで粉砕して表面積対体積比を増やし、最終的にナノ材料の反応性を高めます。アーク炉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利用して、それらを望ましい構成に整列・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）または分子自己組織化（外部の指示なし）の概念に依存します。

製造プロセスに対する制御は限定的ですが、トップダウンアプローチと比較して、材料を大量に廃棄することなく、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。例えば、生物学的システムは化学的力を利用して生命に必要な細胞構造を生成します。研究者たちは、自然界のこの振る舞いを模倣して、特定の原子クラスタが自己組織化して有用な構造を形成するようにしようとしています。

このようなアプローチの良い例は、金属触媒重合技術を用いたカーボンナノチューブの製造です。

NEMS製造に使用される材料

1. ポリジメチルシロキサン（PDMS）

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独自の特性で知られています。熱的に安定で、化学的に不活性、機械的に構成可能、光学的に透明で、一般的に無毒、不活性、難燃性です。

シリコンと密閉シールを形成できるため、電気的および機械的特性の両方を構成してNEMSに統合できます。ポリジメチルシロキサンの接着力は変化する湿度環境下でより良く機能し、シリコンと比較してより低い摩擦係数を持ちます。

ポリジメチルシロキサンの低摩擦係数と疎水性は、NEMS研究に組み込むのに最適な材料です。時間効率が良く安価な製造が可能なため、NEMS技術でも注目を集めています。

研究によると、適切なパッケージングと優れた経年安定性により、光、熱、放射線によるポリジメチルシロキサンの劣化率を遅らせることができます。

2. 炭素ベース材料

単壁カーボンナノチューブの走査トンネル顕微鏡写真 | Credit: 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。例えば、炭素同素体の半導体および金属伝導性により、トランジスタとして動作可能です。

炭素同素体の機械的利点に加えて、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、NEMS技術開発で主に使用されています。

グラフェンNEMSが質量および力センサーとして動作できる一方で、カーボンナノチューブNEMSはナノモーター（ピコニュートンオーダーの力を生成）、スイッチ、高周波発振器で広く活用されています。

3. 生物学的マシン

がんと戦うナノロボットのイラスト

ミオシン（筋肉収縮を担う）のような生物学的マシンは、通常マルチタンパク質複合体の形で細胞内に見られる最も複雑な巨大分子マシンです。

それらの一部はエネルギー生成を担い、一部は遺伝子発現を担っています。ナノメディシンにおいて重要な役割を果たす可能性があります。例えば、腫瘍細胞の検出と破壊に使用できるかもしれません。

分子ナノテクノロジーは、原子レベルで物質を再配列できる生物学的マシンの設計可能性を探る、ナノテクノロジーの新興分野です。BioNEMSには、生物医学/ロボット用途のためのナノスケールサイズの生物学的および合成構造要素が含まれます。例えばナノロボットは、体内に注入して感染を特定・修復できます。

BioNEMSの提案要素であるナノロボットや分子アセンブラーなどは現在の能力をはるかに超えていますが、いくつかの研究が将来の応用に向けて有望な結果をもたらしています。

応用

NEMSは、マイクロスケール技術では現在実現不可能な方法でライフサイエンスと工学を融合するイネーブリングテクノロジーとして機能します。さまざまな産業に大きな影響を与えるでしょう：

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。すべてのトランジスタの99.9%を占めています。CPUやDRAMデバイスのトランジスタゲート長を考慮すると、集積回路のクリティカルな長さスケールはすでに50ナノメートル以下です。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FETベースです。

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、ナノロッドなどのナノ材料は、自動車分野でいくつかのメリットを提供します。例えば、ナノ添加剤はタイヤの寿命を大幅に改善し、耐摩耗性、転がり抵抗、ウェットトラクションを向上させます。NEMSは、次世代水素自動車の燃料電池性能向上の鍵でもあります。

通信

独自の機械的特性（高共振周波数と高周波調整性を可能にする）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、この分野のほとんどの開発は現在、理論モデル、シミュレーション、実験室実験に限定されています。

圧電NEMS共振器用グラフェン電極 | 画像クレジット: Northeastern University

医療分野

NEMSセンサーは、水分レベル、グルコースレベル、さまざまなタンパク質やイオンの存在など、患者データを検出・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ミクログロブリンまで、特定のタンパク質を識別するように設定できます。監視に加えて、異なるサイズの細胞を分離し、マイクロ流体システムでの詰まりを防止できます。

エネルギー貯蔵と生成

ナノテクノロジーは、リチウムイオン電池の寿命と性能向上に大きな期待を抱かせています。また、電力密度の向上、充電時間の短縮、重量とサイズの削減、安定性と安全性の改善にも潜在的な可能性があります。

さらに、ナノスケール電気化学デバイス（ガルバニ電池や燃料電池など）を使用してエネルギーを生成する研究も進行中です。これらは、食物からエネルギーを生成するのと同じように、生体内の血糖から電力を取り出すバイオナノ発電機です。

また、従来の平面シリコン太陽電池では不可能な、より効率的で安価な太陽電池を開発することを目的として、特にナノワイヤなどのいくつかのナノ構造材料に関する研究も進んでいます。

世界市場と将来

現在のNEMSデバイス市場は初期段階にあります。ナノツイーザー、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、ナノツイーザー、その他の微小コンポーネントにセグメント化されています。

NEMSのメリット（高共振周波数、低エネルギー消費、単一チップ上の複数周波数、集積回路の小型化とコスト削減）に起因して、今後数年間で力強い成長が見込まれています。

よくある質問

MEMSとNEMSの違いは？

MEMS（微小電気機械システム）は、サイズが1μm〜100μmの範囲のコンポーネントで構成されます。MEMSデバイスは通常、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）を含みます。

一方、NEMS（ナノ電気機械システム）は、MEMSの次の論理的な微細化ステップです。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？

NEMSは、前身であるMEMSとは大きく異なるユニークで興味深い特性を持っています。例えば、以下のような特性があります：

• 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活性質量（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の力感度（10^-18 ニュートン）
• ヨクトカロリーをはるかに下回る熱容量（4.184 x 10⁺²⁴ J）
• 10アトワットオーダーの消費電力（10⁻¹⁸ ワット）
• 低エネルギー散逸
• 平方センチメートルあたり1,012エレメントに近い極めて高い集積レベル

ナノセンサーは何でできている？

ナノセンサーは、ナノチューブやナノワイヤなどの一次元ナノ材料で作られています。

これらの微小デバイスは、体積、濃度、温度、圧力、電気的および磁気的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出しには、機械的、振動、光学、電磁気的なものがあります。