नैनोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम

नैनोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम (एनईएमएस) नैनोस्कोपिक स्केल पर विद्युत और यांत्रिक कार्यक्षमता को एकीकृत करने वाले उपकरणों का एक वर्ग है। NEMS तथाकथित माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक सिस्टम, या MEMS उपकरणों से अगला तार्किक लघुकरण कदम बनाता है। एनईएमएस सामान्यतः मैकेनिकल एक्ट्यूएटर्स, पंप या मोटर्स के साथ ट्रांजिस्टर-जैसे नैनो इलेक्ट्रॉनिक्स को एकीकृत करता है, और इस प्रकार भौतिक, जैविक और रासायनिक सेंसर बना सकता है। यह नाम नैनोमीटर रेंज में विशिष्ट उपकरण आयामों से निकला है, जो कम द्रव्यमान, उच्च यांत्रिक अनुनाद आवृत्तियों, क्वांटम हार्मोनिक ऑसिलेटर जैसे संभावित बड़े क्वांटम यांत्रिक प्रभावों और सतह-आधारित संवेदन तंत्रों के लिए उपयोगी एक उच्च सतह-से-मात्रा अनुपात के लिए अग्रणी है। अनुप्रयोगों में हवा में रासायनिक पदार्थों का पता लगाने के लिए accelerometer और सेंसर सम्मिलित हैं।

पृष्ठभूमि
जैसा कि रिचर्ड फेनमैन ने 1959 में अपनी प्रसिद्ध वार्ता में उल्लेख किया था, नीचे बहुत जगह है, छोटे और छोटे आकार में मशीनों के कई संभावित अनुप्रयोग हैं; छोटे पैमाने पर उपकरणों का निर्माण और नियंत्रण करके, सभी प्रौद्योगिकी लाभ। अपेक्षित लाभों में अधिक दक्षता और कम आकार, बिजली की खपत में कमी और इलेक्ट्रोमेकैनिकल सिस्टम में उत्पादन की कम लागत सम्मिलित है।

1960 में, बेल लैब्स सेमीकंडक्टर डिवाइस का निर्माण मोहम्मद एम. अटाला और डॉन कहंग ने 100 एनएम की गेट ऑक्साइड मोटाई के साथ पहला MOSFET बनाया। 1962 में, अटाला और कहंग ने एक नैनोइलेक्ट्रॉनिक-बेस मेटल-सेमीकंडक्टर जंक्शन (एम-एस जंक्शन) ट्रांजिस्टर का निर्माण किया, जिसमें 10 एनएम की मोटाई के साथ सोने (एयू) पतली फिल्मों का इस्तेमाल किया गया था। 1987 में, दावरी तिल ने आईबीएम की एक शोध टीम का नेतृत्व किया जिसने 10 एनएम ऑक्साइड मोटाई के साथ पहले एमओएसएफईटी का प्रदर्शन किया। मल्टीगेट डिवाइस|मल्टी-गेट MOSFETs ने FinFET से शुरू करते हुए 20 एनएम चैनल लंबाई से नीचे MOSFET स्केलिंग को सक्षम किया। FinFET की उत्पत्ति 1989 में Hitachi में डीघ हिसामोटो के शोध से हुई है। कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले में, हिसामोटो और TSMC के चेन नाम हू के नेतृत्व में एक समूह ने 16 नैनोमीटर तक के FinFET उपकरणों का निर्माण किया|171998 में एनएम चैनल की लंबाई।

एनईएमएस
2000 में, आईबीएम में शोधकर्ताओं द्वारा पहले बहुत बड़े पैमाने पर एकीकरण (वीएलएसआई) एनईएमएस डिवाइस का प्रदर्शन किया गया था। इसका आधार एएफएम युक्तियों की एक सरणी थी जो मेमोरी डिवाइस के रूप में कार्य करने के लिए एक विकृत सब्सट्रेट को गर्म/समझ सकता है। आगे के उपकरणों का वर्णन स्टीफ़न डी हान द्वारा किया गया है। 2007 में सेमीकंडक्टर्स के लिए अंतर्राष्ट्रीय तकनीकी रोडमैप (आईटीआरएस) उभरते अनुसंधान उपकरण अनुभाग के लिए एक नई प्रविष्टि के रूप में एनईएमएस मेमोरी सम्मिलित है।

परमाणु बल माइक्रोस्कोपी
एनईएमएस का एक प्रमुख अनुप्रयोग परमाणु बल माइक्रोस्कोपी टिप्स है। एनईएमएस द्वारा प्राप्त की गई बढ़ी संवेदनशीलता तनाव, कंपन, परमाणु स्तर पर बलों और रासायनिक संकेतों का पता लगाने के लिए छोटे और अधिक कुशल सेंसर की ओर ले जाती है। एएफएम युक्तियाँ और नैनोस्केल पर अन्य पहचान एनईएमएस पर बहुत अधिक निर्भर करती हैं।

लघुकरण के लिए दृष्टिकोण
एनईएमएस के निर्माण के लिए दो पूरक दृष्टिकोण मिल सकते हैं। टॉप-डाउन और बॉटम-अप डिज़ाइन | टॉप-डाउन दृष्टिकोण उपकरणों के निर्माण के लिए पारंपरिक माइक्रोफैब्रिकेशन विधियों, अर्थात फोटोलिथोग्राफी, इलेक्ट्रॉन-बीम लिथोग्राफी और थर्मल उपचार का उपयोग करता है। इन विधियों के संकल्प द्वारा सीमित होने के बावजूद, यह परिणामी संरचनाओं पर बड़े पैमाने पर नियंत्रण की स्वीकृति देता है। इस तरीके से सिलिकॉन नैनोवायर, नैनोरोड्स, और पैटर्न वाले नैनोस्ट्रक्चर जैसे उपकरणों को धातु की पतली फिल्मों या उकेरी हुई सेमीकंडक्टर परतों से निर्मित किया जाता है। टॉप-डाउन दृष्टिकोणों के लिए, सतह क्षेत्र से आयतन अनुपात में वृद्धि नैनोमैटेरियल्स की प्रतिक्रियाशीलता को बढ़ाती है।

इसके विपरीत, बॉटम-अप दृष्टिकोण, एकल अणुओं के रासायनिक गुणों का उपयोग एकल-अणु घटकों को स्वयं-संगठित करने या कुछ उपयोगी संरूपण में आत्म-इकट्ठा करने, या स्थितीय असेंबली पर भरोसा करने के लिए करते हैं। ये दृष्टिकोण आणविक स्व-विधानसभा और/या आणविक मान्यता की अवधारणाओं का उपयोग करते हैं। यह बहुत छोटी संरचनाओं के निर्माण की स्वीकृति देता है, यद्यपि प्रायः निर्माण प्रक्रिया के सीमित नियंत्रण की कीमत पर। इसके अलावा, जबकि शीर्ष-डाउन दृष्टिकोण के लिए मूल संरचना से अवशेष सामग्री हटा दी जाती है, नीचे-ऊपर दृष्टिकोण के लिए न्यूनतम सामग्री हटा दी जाती है या बर्बाद हो जाती है। इन दृष्टिकोणों का एक संयोजन भी इस्तेमाल किया जा सकता है, जिसमें नैनोस्केल अणुओं को एक शीर्ष-डाउन ढांचे में एकीकृत किया जाता है। ऐसा ही एक उदाहरण कार्बन नैनोट्यूब नैनोमोटर है।

कार्बन अलॉट्रोप्स
एनईएमएस प्रौद्योगिकी के लिए सामान्यतः उपयोग की जाने वाली कई सामग्रियां कार्बन आधारित हैं, विशेष रूप से हीरा, कार्बन नैनोट्यूब और ग्राफीन। यह मुख्य रूप से कार्बन आधारित सामग्रियों के उपयोगी गुणों के कारण है जो सीधे एनईएमएस की जरूरतों को पूरा करते हैं। कार्बन के यांत्रिक गुण (जैसे बड़े यंग के मॉड्यूलस) एनईएमएस की स्थिरता के लिए मूलभूत हैं जबकि कार्बन आधारित सामग्रियों की धातु और अर्धचालक चालकताएं उन्हें ट्रांजिस्टर के रूप में कार्य करने की स्वीकृति देती हैं।

ग्राफीन और हीरा दोनों उच्च यंग के मापांक, कम घनत्व, कम घर्षण, अत्यधिक कम यांत्रिक अपव्यय प्रदर्शित करते हैं, और बड़े सतह क्षेत्र। CNTs का कम घर्षण, व्यावहारिक रूप से घर्षण रहित बीयरिंगों की स्वीकृति देता है और इस प्रकार NEMS में संवैधानिक तत्वों, जैसे नैनोमोटर्स, बदलनाेस और उच्च-आवृत्ति ऑसिलेटर्स के रूप में CNTs के व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए एक बड़ी प्रेरणा रही है। कार्बन नैनोट्यूब और ग्राफीन की भौतिक शक्ति कार्बन आधारित सामग्रियों को उच्च तनाव मांगों को पूरा करने की स्वीकृति देती है, जब आम सामग्री सामान्य रूप से विफल हो जाती है और इस प्रकार एनईएमएस तकनीकी विकास में एक प्रमुख सामग्री के रूप में उनके उपयोग का समर्थन करती है। कार्बन आधारित सामग्रियों के यांत्रिक लाभों के साथ, कार्बन नैनोट्यूब और ग्राफीन के विद्युत गुण इसे NEMS के कई विद्युत घटकों में उपयोग करने की स्वीकृति देते हैं। दोनों कार्बन नैनोट्यूब के लिए नैनोट्रांजिस्टर विकसित किए गए हैं साथ ही ग्राफीन। ट्रांजिस्टर सभी इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए बुनियादी बिल्डिंग ब्लॉक्स में से एक हैं, इसलिए उपयोग करने योग्य ट्रांजिस्टर को प्रभावी ढंग से विकसित करके, कार्बन नैनोट्यूब और ग्रैफेन दोनों एनईएमएस के लिए बहुत महत्वपूर्ण हैं।

नैनोमैकेनिकल रेज़ोनेटर प्रायः ग्राफीन से बने होते हैं। जैसा कि एनईएमएस गुंजयमान यंत्रों को आकार में घटाया जाता है, सतह क्षेत्र से आयतन अनुपात के व्युत्क्रम अनुपात में गुणवत्ता कारक में कमी के लिए एक सामान्य प्रवृत्ति है। हालांकि, इस चुनौती के बावजूद, यह प्रयोगात्मक रूप से 2400 के उच्च गुणवत्ता वाले कारक तक पहुंचने के लिए सिद्ध हुआ है।  गुणवत्ता कारक गुंजयमान यंत्र के कंपन के स्वर की शुद्धता का वर्णन करता है। इसके अलावा, यह सैद्धांतिक रूप से भविष्यवाणी की गई है कि सभी पक्षों पर ग्राफीन झिल्लियों को जकड़ने से गुणवत्ता संख्या में वृद्धि होती है। ग्राफीन एनईएमएस द्रव्यमान के रूप में भी कार्य कर सकता है, ताकत, और स्थिति सेंसर।

धात्विक कार्बन नैनोट्यूब === कार्बन नैनोट्यूब (सीएनटी) एक बेलनाकार नैनोस्ट्रक्चर के साथ कार्बन के आवंटन हैं। उन्हें लुढ़का हुआ ग्राफीन माना जा सकता है। जब विशिष्ट और असतत (chiral) कोणों पर लुढ़का जाता है, और रोलिंग कोण और त्रिज्या का संयोजन तय करता है कि नैनोट्यूब में एक बैंडगैप (अर्धचालक) है या कोई बैंडगैप (धात्विक) नहीं है। इंटरकनेक्ट में नैनोइलेक्ट्रॉनिक कार्बन नैनोट्यूब के लिए धात्विक कार्बन नैनोट्यूब भी प्रस्तावित किए गए हैं क्योंकि वे उच्च वर्तमान घनत्व ले सकते हैं। यह एक उपयोगी संपत्ति है क्योंकि करंट ट्रांसफर करने के लिए तार किसी भी इलेक्ट्रिकल सिस्टम का एक और बुनियादी बिल्डिंग ब्लॉक है। कार्बन नैनोट्यूब ने विशेष रूप से एनईएमएस में इतना अधिक उपयोग पाया है कि निलंबित कार्बन नैनोट्यूब को अन्य नैनोस्ट्रक्चर से जोड़ने के तरीकों की खोज पहले ही की जा चुकी है। यह कार्बन नैनोट्यूब को जटिल नैनोइलेक्ट्रिक सिस्टम बनाने की स्वीकृति देता है। क्योंकि कार्बन आधारित उत्पादों को ठीक से नियंत्रित किया जा सकता है और इंटरकनेक्ट के साथ-साथ ट्रांजिस्टर के रूप में कार्य किया जा सकता है, वे NEMS के विद्युत घटकों में एक मूलभूत सामग्री के रूप में काम करते हैं।

सीएनटी-आधारित एनईएमएस स्विच
एनईएमएस स्विच पर एमईएमएस स्विच का एक बड़ा नुकसान एमईएमएस की सीमित माइक्रोसेकंड रेंज स्विचिंग गति है, जो उच्च गति अनुप्रयोगों के प्रदर्शन को बाधित करता है। माइक्रो से नैनोमीटर स्केल तक उपकरणों को स्केल करके स्विचिंग स्पीड और एक्चुएशन वोल्टेज की सीमाओं को दूर किया जा सकता है। कार्बन नैनोट्यूब (CNT)-आधारित NEMS स्विच के बीच इसके समकक्ष CMOS के बीच प्रदर्शन मापदंडों की तुलना से पता चला कि CNT- आधारित NEMS स्विच ने ऊर्जा की खपत के निचले स्तर पर प्रदर्शन को बनाए रखा और एक सबथ्रेशोल्ड लीकेज करंट था, जो कि CMOS स्विच की तुलना में परिमाण के कई ऑर्डर थे।. डबल क्लैम्प्ड संरचनाओं के साथ सीएनटी-आधारित एनईएमएस का फ्लोटिंग गेट गैर-वाष्पशील मेमोरी अनुप्रयोगों के संभावित समाधान के रूप में आगे अध्ययन किया जा रहा है।

कठिनाइयाँ
एनईएमएस प्रौद्योगिकी के लिए कार्बन नैनोट्यूब और ग्राफीन के सभी उपयोगी गुणों के बावजूद, इन दोनों उत्पादों को उनके कार्यान्वयन में कई बाधाओं का सामना करना पड़ता है। मुख्य समस्याओं में से एक कार्बन की वास्तविक जीवन के वातावरण के प्रति प्रतिक्रिया है। ऑक्सीजन के संपर्क में आने पर कार्बन नैनोट्यूब इलेक्ट्रॉनिक गुणों में एक बड़ा परिवर्तन प्रदर्शित करते हैं। इसी तरह, कार्बन आधारित सामग्रियों के इलेक्ट्रॉनिक और यांत्रिक विशेषताओं में अन्य परिवर्तनों को उनके कार्यान्वयन से पहले पूरी तरह से खोजा जाना चाहिए, विशेष रूप से उनके उच्च सतह क्षेत्र के कारण जो आसपास के वातावरण के साथ आसानी से प्रतिक्रिया कर सकते हैं। कार्बन नैनोट्यूब में अलग-अलग चालकताएं भी पाई गईं, जो या तो धात्विक या अर्धचालक होती हैं, जो संसाधित होने पर उनके चुंबकीय हेलीकॉप्टर पर निर्भर करता है। इस वजह से, यह सुनिश्चित करने के लिए प्रसंस्करण के समय नैनोट्यूब को विशेष उपचार दिया जाना चाहिए कि सभी नैनोट्यूब में उचित चालकता है। ग्रैफेन में पारंपरिक अर्धचालकों की तुलना में जटिल विद्युत चालकता गुण भी होते हैं क्योंकि इसमें ऊर्जा बैंड अंतराल की कमी होती है और इलेक्ट्रॉनों को ग्राफीन आधारित डिवाइस के माध्यम से कैसे स्थानांतरित किया जाता है, इसके लिए अनिवार्य रूप से सभी नियमों को बदल देता है। इसका मतलब यह है कि इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के पारंपरिक निर्माण संभवतः काम नहीं करेंगे और इन नए इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए पूरी तरह से नए आर्किटेक्चर डिजाइन किए जाने चाहिए।

नैनोइलेक्ट्रोमैकेनिकल एक्सेलेरोमीटर
ग्राफीन के यांत्रिक और इलेक्ट्रॉनिक गुणों ने इसे NEMS एक्सेलेरोमीटर में एकीकरण के लिए अनुकूल बना दिया है, जैसे कि छोटे सेंसर और हार्ट मॉनिटरिंग सिस्टम और मोबाइल मोशन कैप्चर के लिए एक्ट्यूएटर्स। ग्राफीन की परमाणु पैमाने की मोटाई प्रणाली के आवश्यक संवेदनशीलता स्तरों को बनाए रखते हुए एक्सेलेरोमीटर को सूक्ष्म से नैनोस्केल तक नीचे ले जाने का मार्ग प्रदान करती है। एक डबल-लेयर ग्राफीन रिबन पर एक सिलिकॉन प्रूफ द्रव्यमान को निलंबित करके, एक नैनोस्केल स्प्रिंग-मास और पीज़ोरेसिस्टिव ट्रांसड्यूसर को एक्सीलरोमीटर में वर्तमान में उत्पादित ट्रांसड्यूसर की क्षमता के साथ बनाया जा सकता है। वसंत द्रव्यमान अधिक सटीकता प्रदान करता है, और ग्राफीन के पीज़ोरेसिस्टिव गुण त्वरणमापी के लिए तनाव को त्वरण से विद्युत संकेतों में परिवर्तित करते हैं। निलंबित ग्राफीन रिबन एक साथ स्प्रिंग और पीज़ोरेसिस्टिव ट्रांसड्यूसर बनाता है, जिससे एनईएमएस एक्सेलेरोमीटर के प्रदर्शन में सुधार करते हुए अंतरिक्ष का कुशल उपयोग होता है।

पॉलीडाइमिथाइलसिलोक्सेन (पीडीएमएस)
उच्च आसंजन और घर्षण से उत्पन्न होने वाली विफलताएँ कई NEMS के लिए चिंता का विषय हैं। अच्छी तरह से चित्रित माइक्रोमशीनिंग तकनीकों के कारण एनईएमएस प्रायः सिलिकॉन का उपयोग करता है; हालाँकि, इसकी आंतरिक कठोरता प्रायः चलती भागों वाले उपकरणों की क्षमता में बाधा डालती है।

ओहियो राज्य के शोधकर्ताओं द्वारा किए गए एक अध्ययन ने पीडीएमएस कोटिंग के खिलाफ देशी ऑक्साइड परत के साथ एकल क्रिस्टल सिलिकॉन के आसंजन और घर्षण मापदंडों की तुलना की। PDMS एक सिलिकॉन इलास्टोमेर है जो अत्यधिक यंत्रवत् ट्यून करने योग्य, रासायनिक रूप से निष्क्रिय, तापीय रूप से स्थिर, गैसों के लिए पारगम्य, पारदर्शी, गैर-फ्लोरोसेंट, बायोकंपैटिबल और नॉनटॉक्सिक है। पॉलिमर के निहित, PDMS के यंग मापांक, बहुलक श्रृंखलाओं के क्रॉसलिंकिंग की सीमा में हेरफेर करके परिमाण के दो आदेशों में भिन्न हो सकते हैं, जिससे यह NEMS और जैविक अनुप्रयोगों में एक व्यवहार्य सामग्री बन जाता है। पीडीएमएस सिलिकॉन के साथ एक तंग सील बना सकता है और इस प्रकार यांत्रिक और विद्युत दोनों गुणों को अनुकूलित करते हुए एनईएमएस प्रौद्योगिकी में आसानी से एकीकृत किया जा सकता है। पीडीएमएस जैसे पॉलिमर अपने तुलनात्मक रूप से सस्ते, सरलीकृत और समय-कुशल प्रोटोटाइप और निर्माण के कारण एनईएमएस में ध्यान आकर्षित करने लगे हैं। आराम के समय को चिपकने वाली शक्ति के साथ सीधे सहसंबंधित करने की विशेषता दी गई है, और बढ़ी हुई सापेक्ष आर्द्रता से हाइड्रोफिलिक पॉलिमर के लिए चिपकने वाली ताकतों में वृद्धि होती है। संपर्क कोण माप और लाप्लास बल गणना PDMS की हाइड्रोफोबिक प्रकृति के लक्षण वर्णन का समर्थन करती है, जो सापेक्ष आर्द्रता के लिए इसकी प्रायोगिक रूप से सत्यापित स्वतंत्रता के अनुरूप है। PDMS की चिपकने वाली ताकतें आराम के समय से भी स्वतंत्र होती हैं, जो अलग-अलग सापेक्ष आर्द्रता स्थितियों के तहत बहुमुखी प्रदर्शन करने में सक्षम होती हैं, और सिलिकॉन की तुलना में घर्षण का कम गुणांक रखती हैं। PDMS कोटिंग्स उच्च-वेग की समस्याओं को कम करने की सुविधा प्रदान करती हैं, जैसे फिसलने से रोकना। इस प्रकार, संपर्क सतहों पर घर्षण काफी उच्च वेगों पर भी कम रहता है। वास्तव में, सूक्ष्म पैमाने पर, बढ़ते वेग के साथ घर्षण कम हो जाता है। PDMS की हाइड्रोफोबिसिटी और कम घर्षण गुणांक ने NEMS प्रयोगों के भीतर और अधिक सम्मिलित होने की अपनी क्षमता को जन्म दिया है जो अलग-अलग सापेक्ष आर्द्रता और उच्च सापेक्ष स्लाइडिंग वेग पर आयोजित किए जाते हैं।

PDMS-लेपित पीजोरेसिस्टिव नैनोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम डायाफ्राम
PDMS का उपयोग प्रायः NEMS तकनीक के भीतर किया जाता है। उदाहरण के लिए, डायाफ्राम पर PDMS कोटिंग का उपयोग क्लोरोफॉर्म वाष्प का पता लगाने के लिए किया जा सकता है। सिंगापुर के राष्ट्रीय विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने कमरे के तापमान पर क्लोरोफॉर्म वाष्प का पता लगाने के लिए सिलिकॉन नैनोवायर्स (SiNWs) के साथ एम्बेडेड एक पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन (PDMS)-लेपित नैनोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम डायाफ्राम का आविष्कार किया। क्लोरोफॉर्म वाष्प की उपस्थिति में, सूक्ष्म-डायाफ्राम पर PDMS फिल्म वाष्प के अणुओं को अवशोषित करती है और इसके परिणामस्वरूप सूक्ष्म-डायाफ्राम के विरूपण की ओर अग्रसर होती है। माइक्रो-डायाफ्राम के भीतर लगाए गए SiNWs को व्हीटस्टोन ब्रिज से जोड़ा जाता है, जो विरूपण को एक मात्रात्मक आउटपुट वोल्टेज में बदल देता है। इसके अलावा, माइक्रो-डायाफ्राम सेंसर कम बिजली की खपत पर कम लागत वाले प्रसंस्करण को भी प्रदर्शित करता है। इसमें स्केलेबिलिटी, अल्ट्रा-कॉम्पैक्ट फुटप्रिंट और CMOS-IC प्रोसेस कम्पैटिबिलिटी के लिए काफी संभावनाएं हैं। वाष्प-अवशोषण बहुलक परत को स्विच करके, इसी तरह के तरीकों को लागू किया जा सकता है जो सैद्धांतिक रूप से अन्य कार्बनिक वाष्पों का पता लगाने में सक्षम होना चाहिए।

सामग्री खंड में चर्चा की गई इसके अंतर्निहित गुणों के अलावा, पीडीएमएस का उपयोग क्लोरोफॉर्म को अवशोषित करने के लिए किया जा सकता है, जिसका प्रभाव सामान्यतः सूक्ष्म-डायाफ्राम की सूजन और विरूपण से जुड़ा होता है; इस अध्ययन में विभिन्न जैविक वाष्पों का भी आकलन किया गया। अच्छी उम्र बढ़ने की स्थिरता और उपयुक्त पैकेजिंग के साथ, गर्मी, प्रकाश और विकिरण की प्रतिक्रिया में पीडीएमएस की गिरावट दर को धीमा किया जा सकता है।

बायोहाइब्रिड एनईएमएस
बायो-हाइब्रिड सिस्टम का उभरता क्षेत्र बायोमेडिकल या रोबोटिक अनुप्रयोगों के लिए जैविक और सिंथेटिक संरचनात्मक तत्वों को जोड़ता है। बायो-नैनोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम (बायोएनईएमएस) के घटक तत्व नैनोस्केल आकार के होते हैं, उदाहरण के लिए डीएनए, प्रोटीन या नैनोसंरचित यांत्रिक भाग। उदाहरणों में क्रॉस-लिंक्ड और यंत्रवत् रूप से मजबूत नैनोस्ट्रक्चर बनाने के लिए थिओल-एनी पॉलिमर की सतही टॉप-डाउन नैनोस्ट्रक्चरिंग सम्मिलित है जो बाद में प्रोटीन के साथ क्रियाशील होती है।

सिमुलेशन
कंप्यूटर सिमुलेशन लंबे समय से एनईएमएस उपकरणों के प्रायोगिक अध्ययन के महत्वपूर्ण समकक्ष रहे हैं। निरंतर यांत्रिकी और आणविक गतिशीलता (एमडी) के माध्यम से, एनईएमएस उपकरणों के महत्वपूर्ण व्यवहारों को प्रयोगों में सम्मिलित होने से पहले कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग के माध्यम से भविष्यवाणी की जा सकती है।   इसके अतिरिक्त, कॉन्टिनम और एमडी तकनीकों का संयोजन इंजीनियरों को अल्ट्रा-फाइन मेश और समय-गहन सिमुलेशन का सहारा लिए बिना एनईएमएस उपकरणों की स्थिरता का कुशलतापूर्वक विश्लेषण करने में सक्षम बनाता है। सिमुलेशन के अन्य फायदे भी हैं: उन्हें एनईएमएस उपकरणों के निर्माण से जुड़े समय और विशेषज्ञता की आवश्यकता नहीं होती है; वे विभिन्न इलेक्ट्रोमैकेनिकल प्रभावों की परस्पर संबंधित भूमिकाओं का प्रभावी ढंग से अनुमान लगा सकते हैं; प्रायोगिक दृष्टिकोणों की तुलना में पैरामीट्रिक अध्ययन काफी आसानी से किए जा सकते हैं। उदाहरण के लिए, कम्प्यूटेशनल अध्ययनों ने एनईएमएस उपकरणों के चार्ज वितरण और "पुल-इन" इलेक्ट्रोमेकैनिकल प्रतिक्रियाओं की भविष्यवाणी की है।  इन उपकरणों के यांत्रिक और विद्युत व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए सिमुलेशन का उपयोग एनईएमएस डिवाइस डिज़ाइन पैरामीटर को अनुकूलित करने में मदद कर सकता है।

== एनईएमएस की विश्वसनीयता और जीवन चक्र

विश्वसनीयता और चुनौतियां
विश्वसनीयता एक निर्दिष्ट उत्पाद जीवनकाल के लिए विफलता के बिना घटक की अखंडता और प्रदर्शन का मात्रात्मक माप प्रदान करती है। एनईएमएस उपकरणों की विफलता को यांत्रिक, विद्युत, रासायनिक और तापीय कारकों जैसे विभिन्न स्रोतों के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। एनईएमएस उपकरणों के लिए उच्च स्तर की विश्वसनीयता प्राप्त करने के लिए प्रमुख चुनौतियों के रूप में विफलता तंत्र की पहचान, उपज में सुधार, सूचना की कमी और पुनरुत्पादन संबंधी मुद्दों की पहचान की गई है। इस तरह की चुनौतियाँ विनिर्माण चरणों (अर्थात वेफर प्रसंस्करण, पैकेजिंग, अंतिम असेंबली) और निर्माण के बाद के चरणों (अर्थात परिवहन, रसद, उपयोग) दोनों के समय उत्पन्न होती हैं।

====पैकेजिंग पैकेजिंग चुनौतियां प्रायः MEMS और NEMS की कुल लागत का 75-95% होती हैं। एमईएमएस या एनईएमएस घटक के डिजाइन के साथ संरेखित करने के लिए पैकेजिंग डिजाइन द्वारा वेफर डाइसिंग, डिवाइस मोटाई, अंतिम रिलीज के अनुक्रम, थर्मल विस्तार, यांत्रिक तनाव अलगाव, शक्ति और गर्मी अपव्यय, रेंगना न्यूनीकरण, मीडिया अलगाव और सुरक्षात्मक कोटिंग्स के कारकों पर विचार किया जाता है।. वेफर-लेवल इनकैप्सुलेशन तकनीकों का आकलन करने के लिए डेलामिनेशन एनालिसिस, मोशन एनालिसिस और लाइफ-टाइम टेस्टिंग का इस्तेमाल किया गया है, जैसे कैप टू वेफर, वेफर टू वेफर और थिन फिल्म एनकैप्सुलेशन। वेफर-लेवल एनकैप्सुलेशन तकनीक सूक्ष्म और नैनो उपकरणों दोनों के लिए बेहतर विश्वसनीयता और बढ़ी हुई उपज का कारण बन सकती है।

निर्माण
उत्पादन प्रक्रिया के शुरुआती चरणों में एनईएमएस की विश्वसनीयता का आकलन उपज में सुधार के लिए आवश्यक है। सतह बलों के रूप, जैसे आसंजन और इलेक्ट्रोस्टैटिक बल, सतह स्थलाकृति और संपर्क ज्यामिति पर काफी हद तक निर्भर हैं। नैनो-बनावट वाली सतहों का चुनिंदा निर्माण संपर्क क्षेत्र को कम करता है, एनईएमएस के लिए आसंजन और घर्षण प्रदर्शन दोनों में सुधार करता है। इसके अलावा, नैनोपोस्ट को इंजीनियर सतहों पर लागू करने से हाइड्रोफोबिसिटी बढ़ जाती है, जिससे आसंजन और घर्षण दोनों में कमी आती है। एनईएमएस डिवाइस के उपयुक्त अनुप्रयोगों के लिए सतह खुरदरापन को समायोजित करने के लिए नैनोपैटर्निंग द्वारा आसंजन और घर्षण को भी हेरफेर किया जा सकता है। ओहियो स्टेट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने हाइड्रोफोबिसिटी, आसंजन, और हाइड्रोफिलिक पॉलिमर के लिए दो प्रकार के पैटर्न वाले विषमताओं (कम पहलू अनुपात और उच्च पहलू अनुपात) पर नैनोपैटर्निंग के प्रभावों की जांच करने के लिए परमाणु / घर्षण बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम / एफएफएम) का उपयोग किया। हाइड्रोफिलिक सतहों बनाम हाइड्रोफोबिक सतहों पर खुरदरापन क्रमशः विपरीत रूप से सहसंबद्ध और सीधे सहसंबद्ध संबंध पाया जाता है। इसकी बड़ी सतह क्षेत्र से मात्रा अनुपात और संवेदनशीलता के कारण, आसंजन और घर्षण एनईएमएस उपकरणों के प्रदर्शन और विश्वसनीयता को बाधित कर सकते हैं। इन उपकरणों के प्राकृतिक डाउन-स्केलिंग से ये ट्राइबोलॉजिकल मुद्दे उत्पन्न होते हैं; हालाँकि, सिस्टम को संरचनात्मक सामग्री, सतह फिल्मों और स्नेहक के हेरफेर के माध्यम से अनुकूलित किया जा सकता है। अनोपेड Si या पॉलीसिलिकॉन फिल्मों की तुलना में, SiC फिल्मों में सबसे कम घर्षण आउटपुट होता है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च तापमान पर खरोंच प्रतिरोध और बढ़ी हुई कार्यक्षमता बढ़ जाती है। हार्ड डायमंड जैसी कार्बन (डीएलसी) कोटिंग्स रासायनिक और विद्युत प्रतिरोधों के अलावा कम घर्षण, उच्च कठोरता और पहनने के प्रतिरोध का प्रदर्शन करती हैं। खुरदरापन, एक कारक जो गीलापन को कम करता है और हाइड्रोफोबिसिटी को बढ़ाता है, गीलापन को कम करने के लिए संपर्क कोण को बढ़ाकर अनुकूलित किया जा सकता है और कम आसंजन और डिवाइस के पर्यावरण के साथ बातचीत की स्वीकृति देता है। भौतिक गुण आकार-निर्भर हैं। इसलिए, NEMS उपकरणों की विश्वसनीयता और दीर्घकालिक स्थिरता बनाए रखने के लिए NEMS और नैनो-स्केल सामग्री पर अद्वितीय विशेषताओं का विश्लेषण तेजी से महत्वपूर्ण हो जाता है। नैनो-सामग्रियों के लिए कुछ यांत्रिक गुण, जैसे कि कठोरता, लोचदार मापांक, और मोड़ परीक्षण, एक नैनो इंडेंटर का उपयोग करके एक सामग्री पर निर्धारित किया जाता है जो निर्माण प्रक्रियाओं से गुजरा है। हालांकि, ये माप इस बात पर विचार नहीं करते हैं कि लंबे समय तक या चक्रीय तनाव और तनाव के तहत उपकरण उद्योग में कैसे काम करेगा। थीटा संरचना एक एनईएमएस मॉडल है जो अद्वितीय यांत्रिक गुणों को प्रदर्शित करता है। सी से बना, संरचना में उच्च शक्ति है और सामग्री के कुछ यांत्रिक गुणों को मापने के लिए नैनोस्केल पर तनाव को केंद्रित करने में सक्षम है।

अवशिष्ट तनाव
संरचनात्मक अखंडता की विश्वसनीयता बढ़ाने के लिए, उपयुक्त लंबाई के पैमाने पर सामग्री संरचना और आंतरिक तनाव दोनों का लक्षण वर्णन तेजी से प्रासंगिक हो जाता है। अवशिष्ट तनावों के प्रभावों में सम्मिलित हैं, लेकिन फ्रैक्चर, विरूपण, प्रदूषण और नैनोसाइज्ड संरचनात्मक परिवर्तनों तक सीमित नहीं हैं, जिसके परिणामस्वरूप ऑपरेशन की विफलता और डिवाइस की भौतिक गिरावट हो सकती है। अवशिष्ट तनाव विद्युत और ऑप्टिकल गुणों को प्रभावित कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, विभिन्न फोटोवोल्टिक और प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) अनुप्रयोगों में, अर्धचालकों की बैंड गैप ऊर्जा को अवशिष्ट तनाव के प्रभाव के अनुसार ट्यून किया जा सकता है।

परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम) और रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग बल मात्रा इमेजिंग, स्थलाकृति और बल घटता के संदर्भ में पतली फिल्मों पर अवशिष्ट तनाव के वितरण की विशेषता के लिए किया जा सकता है। इसके अलावा, अवशिष्ट तनाव का उपयोग अंतर स्कैनिंग कैलोरीमेट्री (डीएससी) और तापमान पर निर्भर एक्स-रे विवर्तन (एक्सआरडी) का उपयोग करके नैनोस्ट्रक्चर के पिघलने के तापमान को मापने के लिए किया जा सकता है।

भविष्य
वर्तमान में कई एनईएमएस उपकरणों के व्यावसायिक अनुप्रयोग को रोकने वाली प्रमुख बाधाओं में निम्न-उपज और उच्च उपकरण गुणवत्ता परिवर्तनशीलता सम्मिलित हैं। एनईएमएस उपकरणों को वास्तव में लागू करने से पहले, कार्बन आधारित उत्पादों का उचित एकीकरण बनाया जाना चाहिए। उस दिशा में एक हालिया कदम हीरे के लिए प्रदर्शित किया गया है, जो सिलिकॉन की तुलना में एक प्रसंस्करण स्तर प्राप्त कर रहा है। फोकस वर्तमान में प्रायोगिक कार्य से व्यावहारिक अनुप्रयोगों और उपकरण संरचनाओं की ओर स्थानांतरित हो रहा है जो इस तरह के उपन्यास उपकरणों से कार्यान्वित और लाभान्वित होंगे।  दूर करने के लिए अगली चुनौती में इन कार्बन-आधारित उपकरणों के सभी गुणों को समझना और कम विफलता दर के साथ कुशल और टिकाऊ एनईएमएस बनाने के लिए गुणों का उपयोग करना सम्मिलित  है।

कार्बन-आधारित सामग्रियों ने अपने असाधारण यांत्रिक और विद्युत गुणों के कारण NEMS उपयोग के लिए प्रमुख सामग्री के रूप में कार्य किया है। हाल ही में, यंग के मापांक के सक्रिय मॉडुलन की उपलब्धता के कारण ट्यून करने योग्य एनईएमएस को डिजाइन करने के लिए चाकोजेनाइड ग्लास के नैनोवायरों ने एक महत्वपूर्ण मंच दिखाया है। एनईएमएस का वैश्विक बाजार 2022 तक 108.88 मिलियन डॉलर तक पहुंचने का अनुमान है।

नैनोइलेक्ट्रोमैकेनिकल-आधारित कैंटिलीवर
कैलिफ़ोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने बहुत उच्च आवृत्तियों (वीएचएफ) तक यांत्रिक अनुनादों के साथ एक एनईएम-आधारित कैंटिलीवर विकसित किया। पीज़ोरेसिस्टिव थिन मेटल फिल्म पर आधारित इलेक्ट्रॉनिक विस्थापन ट्रांसड्यूसर का समावेश स्पष्ट और कुशल नैनोडिवाइस रीडआउट की सुविधा देता है। लक्षित प्रजातियों के लिए उच्च विभाजन गुणांक के साथ एक पतली बहुलक कोटिंग का उपयोग करके डिवाइस की सतह का कार्यात्मककरण एनईएमएस-आधारित कैंटिलीवर को एक से कम एटोग्राम पर बड़े पैमाने पर रिज़ॉल्यूशन के साथ कमरे के तापमान पर रासायनिक अवशोषण माप प्रदान करने में सक्षम बनाता है। सेंसर, स्कैनिंग जांच, और बहुत उच्च आवृत्ति (100 मेगाहर्ट्ज) पर काम करने वाले उपकरणों के अनुप्रयोगों के लिए एनईएमएस-आधारित कैंटिलीवर की और क्षमताओं का उपयोग किया गया है।

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