سیستم های نانوالكترومكانیك (NEMS)

دسته: مکانیک
بازدید: 103 بار
فرمت فایل: doc
حجم فایل: 1119 کیلوبایت
تعداد صفحات فایل: 80

یك زمینه كاربرد ممكن، میكروسكوپ نیرو است كه در آن نوك پایه روی یك سطح را جاروب می كند و جابجایی های پایه با حركت نوك پایه روی سطح اندازه گیری می شوند و یك نقشه توپوگرافی نیرو را ایجاد می كنند میكروسكوپ نیروی تشدید مغناطیسی (MRFM) مزیت خاصی دارد كه یك نوك پایه فرومغناطیسی را بكار برده و نقشه برداری از الكترون جفت نشده و چگالی های چرخش هسته ای

قیمت فایل فقط 4,900 تومان

سیستم های نانوالكترومكانیك (NEMS)

سیستم های نانوالكترومكانیك (NEMS) در جوامع علمی و تكنیكی مورد توجه زیادی بوده اند. این دسته از سیستم ها كه بسیار شبیه به سیستم های میكروالكترومكانیك هستند در انواع حالات تشدید شده خود با ابعادی در سابمیكرون عمیق عمل می كنند. سیستم در این محدوده، دارای فركانس های رزونانس بسیار، توده های فعال تحلیل یافته و ثبات نیروی پایداری باشند؛ ضریب كیفیت تشدید این سیستم در رنج Q  lo³-10⁵ بسیار بالاتر از دسته دیگر مدارهای تشدیدی الكتریكی می باشند. این سیستم در NEMS برای دسته بسیاری از كاربردهای تكنولوژی مانند سنسور فراسریع، دستگاه راه اندازی، و اجزای پردازش سیگنال مهیا می سازد.

به طور آزمایشی از NEMS انتظار می رود كه امكان تحقیق بر فرآیندهای مكانیكی متعادل فونون و واكنش كوانتوم سیستم های مكانیكی مزوسكوپیك را فراهم آورد. با وجود این، هنوز چالش های ریشه ای و تكنولوژیكی برای بهینه سازی NEMS وجود دارد. در این بررسی ما باید مروری بر چشم اندازها و چالش ها در این زمینه یك معرفی متعادل از NEMS را ارائه داده و كاربردهای جالب و آشكارسازی الكترومكانیك را به تصویر می كشیم.

سیستم های نانو الكترومكانیكی (NEMS)، تشدید گرهای مكانیكی با مقیاس نانو – به – میكرو متر می باشند كه به ابزار الكترونیكی دارای ابعاد مشابه وصل می شوند. NEMS نوید میكروسكوپ نیروی فراحساس سریع و عمیق شدن فهم ما از چگونگی پیدایش دینامیك كلاسیك با نزدیك شدن به دینامیك كوانتوم می باشد. این پژوهش با یك بررسی از NEMS شروع شده و پس از جنبه های خاص دینامیك كلاسیك آنها را توصیف می كند. مخصوصاً، نشان می دهیم كه برای اتصال ضعیف، عمل ابزار الكترونیكی روی تشدیدگرمكانیكی می تواند به طور مؤثر، یك حمام حرارتی باشد در حالیكه ابزار، یك محرك خارج از تعادل سیستم باشد.

1- مقدمه:

محققان با استفاده از مواد و فرآیندهای میكروالكترونیك مدت هاست كه كنترل پرتوها، چرخ دنده ها و پوسته های ماشین های میكروسكوپی را انجام داده اند كه این عناصر مكانیكی و مدارهای میكروالكترونیكی كه آن ها را كنترل می كنند را به طور كل سیستم های میكروالكترومكانیك یا MEMS خوانده اند. در تكنولوژی امروزی MEMS برای انجام اموری در تكنولوژی مدرن مانند باز و بسته كردن دریچه ها، ( سوپاپ ها) چرخاندن آینه ها و تنظیم جریان الكتریسیته و یا جریان نور بكار گرفته می شود. امروزه كمپانی های متعددی از غول های نیمه هادی گرفته تا راه اندازی های كوچك می خواهند ابزار MEMS را برای طیف گسترده ای از مشتریان تولید كنند. با تكنولوژی میكروالكترونیك كه هم اكنون تا حد ریز میكرون پیش رفته است زمان آن رسیده كه كشفیات متمركز NEMS را آغاز كنیم.

شكل 1 خانوادة NEMS نیمه رسانا را نشان داده و مراحل تولید ساخت كلی آن را مطرح می كند. این فرآیند برای طراحی آزادانه ساختارهای نیمه رسانای نانومتر به عنوان نانوماشین سطحی می باشدكه نقطة مخالف میكروماشین بالك MEMS می باشد این تكنیك ها برای سیلكون بر ساختارهای عایق،  گالیوم آرسناید روی سیستم های آلومینیوم گالیوم، كاربید سیلكون برسیلیكون، نیترید آلومینوم بر سیلیكون، لایه های الماس          نانو بلوری و لایه های نیترید سیلكون نامنظم بكار گرفته می شود. اكثر این مواد با درجه خلوص زیاد وجود دارد كه با كنترل دقیق ضخامت لایه ای رشد كرده اند.

این قسمت دوم (كیفیت كنترل لایه ای) كنترل ابعادی در بعد عمودی در سطح تك لایه ای را كنترل می كند. این مقوله كاملا منطبق با دقت ابعادی جانبی لیتوگرافی  پرتوالكترونی است كه به مقیاس اتمی نزدیك می شود.

NEMS دارای ویژگی های چشمگیری می باشد. آن ها دسترسی به فضای پارامتری را كه غیر پیش بینی است را فراهم می كنند؛ فركانس های مقاومت تشدیدی در میكرویو، ضریب كیفیت مكانیكی در دهها هزار، توده های فعال در femtogram، ظرفیت گرمایی پایین تر از یوكتوكالری و ...

این ویژگی ها تصورات و سیل افكار برای تجربیات و آزمایشات هیجان انگیز را بوجود می آورد و در عین حال تعداد زیادی سؤالات غیرقابل پیش بینی و نگرهایی های بیشماری را نیز بدنبال دارد از جمله این سؤالات: چگونه مبدل ها در مقیاس نانو مشخص می شوند؟ چگونه ویژگی های سطحی كنترل می گردد؟ ویژگی های پارامتر NEMS با هر اندازه و مقیاسی گسترده می باشند. كسانی كه می خواهند نسل بعدی NEMS را توسعه دهند باید به سمت آخرین كشفیات فیزیك و علوم مهندسی در جهات مختلف سوق بیابند. این بازنگری در چهار قسمت اصلی ذكر شده است. در دو بخش بعدی ما سعی می كنیم یك معرفی متعادل از NEMS را ارائه دهیم. ما نه تنها ویژگی های جالب و مورد توجه NEMS را مورد بحث و بررسی قرار می دهیم بلكه یك مرور كلی بر چالش های اساسی و تكنولوژیكی را ارائه خواهیم داد.

همچنان كه به بخش های بعدی نزدیك می شویم، معلوم می شود كه كدام یك از این چالش ها از طریق مهندسی سیستماتیك قابل بحث و بررسی است. در بخش چهارم این تحقیق، یكی از كاربردهای  ضروری NEMS را كه آشكارسازی نانوالكترومكانیك فراحسی می باشد تحت مطالعه قرار می دهیم. در بخش پنجم پروژه ها را ارائه خواهیم داد.

یك سیستم نانو الكترومكانیك (NEMS) از یك تشدیدگر مكانیكی با درجه بندی نانومتر –به- میكرومتر تشكیل می شود كه به یك ابزار الكترونیك دارای ابعاد قابل قیاس مزدوج می شود ، تشدیدگر مكانیكی می تواند یك شكل هندسی ساده داشته باشد مثل یك طرّه یا یك پل و از موادی مثل سیلیكون با استفاده از تكنیك های لیتوگرافی مشابه به نمونه های به كار رفته برای ساختن مدارهای تركیبی ساخته می شوند. به خاطر اندازه میكروشان، تشدیدگرهای مكانیكی می توانند با فركانس هایی در محدوده چند مگاهرتز تا حدود یك گیگا هرتز  نوسان داشته باشند. ما به طور نرمال، به ایده نوسان سیستم های مكانیكی در چنین فركانس های رادیویی – به- میكروویو، عادت نمی كنیم.

اتصال به ابزار الكترونیك به شیوه الكترو استاتیكی بومی با بكار گیری یك ولتا‍ژ به یك لایه فلزی گذاشته شده روی سطح تشدیدگر مكانیكی انجام می شود. یك نمونه از یك ابزار الكترونیك تزویجی، یك ترانزیستورتك الكترونی (SET) است كه در شكل 1 نشان داده شده است. كوانتوم الكترون ها، هر كدام در یك زمان از عرض ترانزیستور از الكترود درین به الكترود سورس كه توسط یك ولتاژ درین- سورس Vds تحریك     می شود تشكیل كانال می دهند.

بزرگی كانال دردرین به ولتاژ اعمال شده به الكترود گیت سوم (ولتاژ گیت ) بستگی دارد. چون تشدیدگر مكانیكی بخشی از الكترود گیت را تشكیل می دهد، حركت تشدیدگر ولتاژ گیت را تغییر می دهد و از این رو جریان كانال درین سورس بعد از تقویت آشكار می گردد؟

 با فركانس های بالا و جرم های اینرسی كوچك تشدیدگرهای نانومكانیكی همراه با قابلیت های شناسایی جابجایی مكانیكی فراحساس ابزارهای الكترونیك مكانیكی،به نظر می رسد NEMS گرایش زیادی به مترولوژی نشان می دهد.

یك زمینه كاربرد ممكن، میكروسكوپ  نیرو است كه در آن نوك پایه روی یك سطح را جاروب می كند و جابجایی های پایه با حركت نوك پایه روی سطح اندازه گیری     می شوند و یك نقشه توپوگرافی نیرو را ایجاد می كنند. میكروسكوپ نیروی تشدید مغناطیسی (MRFM) مزیت خاصی دارد كه یك نوك پایه فرومغناطیسی را بكار برده و نقشه برداری از الكترون جفت نشده و چگالی های چرخش هسته ای در سطح و زیر سطح انجام می شود. اخیراًٌ ، حساسیت های آشكار سازی چرخش تك الكترون بدست آمده است [12و11]، كاربردهای بالقوه در تعیین خصوصیات در سطح تك مولكولی یا اتمی، زیاد هستند و با كاربرد ابزارهای MRFM  و NEMS طراحی شده مناسب كوچكتر، فركانس های مكانیكی بالاتر ممكن است منجر به زمان های بازخوانی سریعتر در میزان حساسیت های معادل یا بهتر شوند.

کاربرد دیگر، حس كننده جرم است که در آن ذرات كوچك جرم مستقل به تشدیدگر نانومكانیكی از تغییر فركانس ارتعاشی، تعیین می شوند. اخیراً، میزان حساسیت شناسایی اتوگرام ( 10=اتو ) به دست آمده است[14و13].

با کاربرد فرکانس طراحی شده مناسب بالاتر NEMS ، شناسایی مولکولهای انفرادی در حساسیت های تك دالتونی ممکن است.( یك دالتون برابراست با و 12/1 ماده در یك c¹² اتم)

NEMS در جای خود به عنوان سیستم های دینامیک مهم جالب است. به خاطر جرم اینرسی تشدیدگر نانو مکانیکی و اتصال الكترو استاتیكی قوی به ابزار الکترونیک ترکیبی دقیق حاصل شده، الکترون های انفرادی که در ابزار الکترونیک حرکت می کنند         می توانند نیروهای جابجایی بزرگی به تشدیدگر مکانیکی وارد کنند.

شکل a .1) تصویری که عملیات آشکار ساز جابجایی SET را نشان می دهد. سطوح انرژی باردار مشخص هزینه انرژی ناشی از تغییردرانرژی میدان الکتریکی ذخیره شده به صورت یک یا چند الکترون را نشان می دهد که برسطح داخلی تونل سازی می شود و گسستگی سطوح اثر کوانتومی نیست بلکه هزینه افزایش انرژی در قراردادن فزاینده تعداد الکترون های روی سطح در همان زمان استb) ریزنگار میکروسکوپ الکترون پویشی (SEM) رنگی کاذب دو پرتو کنار هممعلق و SEM را نشان می دهد. ماده اصلی و پرتو از G_aAs (مناطق آبی) می باشد و الکترودهای گیت پرتو و SET لایه های نازک آلومینیوم (منطقه زرد) با اکسید آلومینیم است که مانع های تونل را تشکیل می دهد. پرتو  0/25 µm  دور از سطح الکترود قرار دارد . فرکانس موجی بنیادی سنجیده شده  برای  حرکت در سطحMHZ 116 است.

در عوض، حرکت تشدیدگر روی جریان الکترون و ... تأثیر می گذارد. در دماهای بالا، ابزار الکترونیکی خاص می توانند به یک شیوه منطقی کوانتومی رفتار کنند که دریک مکان کوانتومی دارای موقعیت های متفاوت، هنگامی که الکترونها از طریق قطعه انتقال می یابند، موجود هستند. تأثیر متقابل چنین ابزاری، مرکز جرم تشدیدگر مکانیکی ممکن است به یک حالت کوانتوم [6] کشیده شود، مثل یک موقعیت حالات مکان مجزا. ذات کوانتومی سیستم الکترومکانیکی مزدوج درموارد خاص جریان اندازه گیری شده آشكار می شود. تشدیدگرهای نانومکانیکی از حدود ده بیلیون اتم تشکیل می شوند، طوری که از طریق اکثر استانداردها، چنین تغییرات کوانتومی، میکروسکوپی فرض می شوند. این مهم است که درک کنیم که در اینجا ما به تأثیرات کوانتوم در ابزار "واقعی کدر" اشاره کنیم که دارای درجات آزادی مكانیكی و الکترونیکی بوده به شدت با محیط اطراف که از فوتون و فونون تشکیل شده تعامل داشته و معایب تشدیدگر مکانیکی و ابزار الکترونیکی را تغییر می دهند. بررسی آزمایشی و نظریه ای چنین سیستم هایی منجر به یک فهم عمیق تر از چگونگی تبدیل دینامیک کلاسیک با تقریب به دینامیک کوانتوم می شود. NEMS  دنیای کوانتوم میکروسکوپی و کلاسیک ماکروسکوپی ایجاد        می كنند.

در اولین آزمایشات به بازبینی دینامیک NEMS، می پردازیم كه نتیجه می گیریم اجزاء تشدیدگر مکانیکی همانطور که انتظار می رفت، به شیوه کلاسیک عمل می كنند، آزمایشات به اندازه ی کافی خالص نیستند تا تأثیرات دخالت کوانتوم را که توسط محیط تشدیدگر از بین می روند را قابل مشاهده کنند. به رغم این، دینامیک نیمه کلاسیک NEMS مهم بوده و ارزش بررسی دارد. یک بعد از بررسی این است که ویژگی های مشترک دینامیک کلاسیک ابزار متفاوت NEMS را شناسایی کنیم تا به میزان ارتباط و وابستگی رشته ای دست یابیم. تحت شرایط خاص تزویج ضعیف و همچنین جدایی وسیع مقیاس زمانی دینامیکی الکترونیک و مکانیکی، ابزار الکترونیک به طور مؤثر به صورت یک حمام حرارتی عمل می کند. تشدیدگر مکانیکی حرکت براونی حرارتی را که توسط یک ثابت میرایی و دمای مؤثر شناسایی می شود و توسط پارامترهای الکترونیک وسیله مشخص می شود را تحمل می کند [23 و22]. این واقعیت که ابزار الکترونیک می تواند به طور مؤثر توسط یک حمام حرارتی جایگزین شود، در اولین نگاه با دانستن اینکه جریان الکترون تحریک شده توسط ولتاژ در ابزار، یک حالت الکترون دور از تعادل است، حیرت انگیز می باشد. کاربرد مدل های اصول شناخته شده پایداری در ساختار مدل های تئوریک سیستم های غیرتعادلی نه چندان شناخته شده برای یافتن كاربرد وسیع به دوران اولیه مكانیك آماری بر می گردد. خلاصه این فصل به این شکل است: بخش2 نمونه هایی از ابزار گوناگون معرف NEM را نشان می دهد که در حال بررسی هستند. بخش 3، دینامیک کلاسیک سیستم تشدیدگر SET- مکانیکی را با تمرکز روی توصیف موازنه مؤثر در رژیم اتصال ضعیف بررسی می کند. بخش 4، دینامیک موازنه مؤثر برخی دیگر از NEMS معرفی می شده دربخش2 را توصیف می کند. بخش 5 نتیجه گیری   می باشد

قیمت فایل فقط 4,900 تومان

برچسب ها : سیستم های نانوالكترومكانیك (NEMS) , طرح توجیهی سیستم های نانوالكترومكانیك (NEMS) , دانلود سیستم های نانوالكترومكانیك (NEMS) , مکانیک , سیستم های نانوالكترومكانیك , NEMS , دانلود طرح توجیهی , پروژه دانشجویی , جریان الکترون , دانلود پژوهش , دانلود تحقیق , پایان نامه , دانلود پروژه , تشدید گرهای مكانیكی