Наноэлектромеханические переключатели на углеродных нанотрубках могут оказаться весьма перспективными в высокочастотных системах и устройствах, работающих в экстремальных климатических условиях или экстремальных условиях космического пространства.

Разработка электроники, которая способна надежно функционировать в экстремальных условиях окружающей среды, имеет огромную стратегическую важность для будущих планетарных миссий НАСА. Инструменты, которые могут в один прекрасный день полететь на Венеру, где приповерхностная температура достигает 486^оС, или на Юпитер с его исключительно высокой радиоактивностью, нуждаются в значительном улучшении по сравнению с тем уровнем, что имеется на сегодняшний день.

Изобретение кремниевого транзистора около 50 лет тому назад произвело революцию в электронной промышленности и изменило многое в нашем обществе, включая нынешние технологии связи и передачи данных, равно как и технологии хранения и обработки информации. Однако, в соответствии с законом Мура (см. Википедия: Закон Мура – эмпирическое наблюдение, сделанное в 1965 году, т.е. через шесть лет после изобретения интегральной схемы, Гордоном Муром, одним из основателей Intel), продолжающаяся миниатюризация этих твердотельных переключателей и микросхем, в конечном счете, приведет к ограничению в их показателях.

Более миниатюрные элементы микросхем и близко расположенный монтаж вызывают существенное увеличение рассеяния мощности из-за утечек тока, даже в режиме ожидания или статическом режиме. Оценки показывают, что одни только статические потери могут поглотить 100% штатной мощности электронного устройства уже в ближайшие несколько лет. Твердотельные переключатели по своей природе весьма чувствительны к радиации и их работа в экстремальных температурных условиях ненадежна, поскольку физические свойства кремния существенно изменяются как при низких, так и при высоких температурах. В космических применениях потребление энергии, надежность и размер – все эти параметры играют гораздо большую роль, чем в потребительской электронике или даже военных применениях.

Наноэлектромеханические устройства (НЭМ), в отличие от переключателей на твердом теле, имеют низкие величины тока в состоянии ВЫКЛ, поскольку их проводящие детали физически изолированы друг от друга. В частности угольные нанотрубки (УНТ) имеют замечательные механические и электрические свойства, которые делают их превосходными кандидатами в проектировании НЭМ. Они исключительно жестки, переносят очень большие механические напряжения, а их очень малая масса и химическая инертность являеются многообещающими для маломощных быстродейтвующих переключателей с низкими электрическими потерями на утечку.

Оптимистично выглядят их возможности работы в экстремальных условиях окружающей среды. НЭМы на нанотрубках уже были использованы во многих приложениях в диапазоне от нанопинцетов до запоминающих устройств.

Исследователи Лаборатории Реактивного Движения Калифорнийского Технологического Института (Jet Propulsion Laboratory – JPL, California Institute of Technology Pasadena, CA), одни из наиболее успешных в этой области, разрабатывают сразу несколько архитектурных решений для НЭМ переключателей, используя метод разработки известный как «снизу-вверх» (bottom-up), которые были бы пригодны для использования в экстремальных условиях. Такие НЭВ используют нанотрубки, синтезированные методом плазменно-химического напыления (ПХН).

Одна из конструкций состоит из одностенных нанотрубок, которые перемыкают нанопазы, проделанные в металлическом электроде. Нанотрубки выращены при температуре 850оС в присутствии определенного катализатора из железа. Поскольку в присутствии некоторых металлов происходит каталитическое отравление нанотрубок, процесс синтеза усовершенствован присутствием ниобия, как огнеупорного материала, совместимого с с высокотемпературным ПХН. Изображение такого устройства с нанотрубкой, перекрывающей паз, хорошо иллюстрируется рисунком 1.

Рис.1. а) Изображение наноэлектромеханического (НЭМ) устройства, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) с небольшим увеличением; схема устройства показана на вставке; в) СЭМ-изображение, демонстрирующее одностенную нанотрубку(ОСНТ), перемыкающую нанопаз. Среди обозначений: PECVD (Plasma-enhanced chemical vapor deposition)- Плазменно-химическое напыление

Измерения питающего напряжения в таких устройствах показали хорошо детерминированные состояния ВКЛ и ВЫКЛ, и это видно на рис.2. Увеличение напряжения между верхним и базовым электродами составило 4 порядка величины при изменении тока от минимума до максимума. Типовые потери на рассеяние мощности были очень невелики, всего сотни нановатт. Времена переключения для разработанных устройств составили всего несколько наносекунд.

Рис.2. Вольтамперные характеристики НЭМ (см. Рис. 1в) за несколько циклов

Были также оценены радиочастотные характеристики таких НЭМ переключателей, поскольку микроэлектромеханические системные переключатели имеют знасительно более совершенные характеристики по сравнению с PIN – диодами и полевыми транзисторами на высоких частотах. Индуктивное, емкостное сопротивления и сопротивление постоянному току были вычислены с учетом квантовых параметров нанотрубок и эквивалентный электрический контур был рассчитан и смоделирован на частотах до 100ГГц. Было показано, что изоляция в конфигурации шунта подавлена благодаря огромной индуктивности трубок и высокой постоянной составляющей сопротивления.

Альтернативная конфигурация, в которой высокая индуктивность нанотрубки была рассчитана так, чтобы повысить радиочастотные характеристики. Для этого, в конструкции переключателя часть трубки металлизировали. В состоянии ВЫКЛ, где смещение постоянного тока не приложено, высокая индуктивность трубки предотвращает любое паразитное соединение между радиочастотными каналами и трубкой, что создает изоляцию, равную по крайней мере 20 дБ на частотах вплоть до 100 ГГц. В состоянии ВКЛ металлизированная часть нанотрубки входит в контакт с подстилающими металлическими прокладками, которые обеспечивают прохождения радиочастотных сигналов с низкими потерями (<0,5 дБ на 100 ГГц).

Переключатель подобной конструкции с использованием нанотрубки представляется исключительно удачным с точки зрения радиочастотных характеристик. В дополнение НЭМ переключатель имеет хороший потенциал в операционных параметрах – низкое питающее напряжение (< 10 В) и высокое быстродействие (лучше, чем мкс), которые очень трудно получить одновременно в переключателях МЭМС (микроэлектромеханические системы), известных и достаточно разработанных на сегодня.

Рис.3. а) Изоляция ТЭМ в положении ВЫКЛ вплоть до 100 ГГц; в) Вносимые потери в положении ВКЛ вплоть до 10 ГГц; на вставке – вносимые потери в увеличенном масштабе

Помимо многообещающих применений НЭМ переключателей в высокочастотных системах связи, исключительно важное значение имеет разработка методов контроля механических параметров углеродных нанотрубок с использованием методов их выращивания в электрическом поле. Общая цель – разработка переключателей для использования в устройствах постоянной памяти (не теряющих данные при выключении) и логических контурах с параметрами, которые позволяют использовать такие инструменты в экстремальных условиях при исследовании космического пространства.

Евгений Биргер

Дополнительная информация:

• SPIE
• JPL