發布日期:2022-08-21 點擊率:29
納機電系統(Nano-Electromechanical System,簡稱NEMS)是20世紀90年代末、21世紀初提出的一個新概念。可以這樣來理解這個概念,即NEMS是特征尺寸在1~100nm、以機電結合為主要特征,基于納米級結構新效應的器件和系統。從機電這一特征來講,可以把NEMS技術看成是MEMS技術的發展。但是,MEMS的特征尺寸一般在微米量級,其大多特性實際上還是基于宏觀尺度下的物理基礎,而NEMS的特征尺寸達到了納米數量級,一些新的效應如尺度效應、表面效應等凸顯,解釋其機電耦合特性等需要應用和發展微觀、介觀物理。也就是說,NEMS的工作原理及表現效應等與MEMS有了甚至是根本性的不同。因此,從更本質上說,NEMS技術已經是納米科技的一個重要組成部分和方向。
目前,世界各地在NEMS及其相關方面開展的研究工作主要有:
(1) 諧振式傳感器,包括質量傳感、磁傳感、慣性傳感等;
(2) RF諧振器、濾波器;
(3)微探針熱讀寫高密度存儲、納米磁柱高密度存儲技術;
(4)單分子、單DNA檢測傳感器以及NEMS生化分析系統(N-TAS);
(5)生物電機;
(6)利用微探針的生化檢測、熱探測技術;
(7)熱式紅外線傳感器;
(8)機械單電子器件;
(9)硅基納米制作、聚合物納米制作、自組裝;等等。
為什么要研究發展NEMS系統?因為人們希望對微小的力和位移進行測量。超導器件約瑟夫森結中電流的震蕩,邁克耳遜干涉儀等都可以歸結為對微小位移的測量。集成化的NEMS系統能夠對10^-21克的質量和10^-21牛頓的力進行測量。這么靈敏的探測器可以幫助我們測量單個核子的核自旋,進而對大分子的三維結構能夠進行實時測量。
NEMS系統中的振子頻率一般高達幾十兆赫茲,最高的頻率達到10^9赫茲。振子的震動是與電場耦合著的,可以受電場控制。納米光機械系統(NOMS)也與此類似,不過與機械振子耦合的不是電場,而是光場。與NEMS不同,NOMS也可以用作光學器件,完成一些非線性光學的實驗,或者作為一些特殊的光源。
有兩種研究途徑被研究者視為標準的NEMS研究方法。一種方法,自上而下,可以總結為“用一套工具來制作一套更小的工具”。例如,一個用毫米量級的工廠制作出來微米量級的工具,可以用來制作納米量級的器械。另一種方法自下而上,可以被認為是組裝原子和分子,使之達到期間所要求的復雜度和功能。這種過程可能用到自組裝或分子生物系統。
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