नैनोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम

नैनोवैद्युत-यांत्रिक प्रणाली (NEMS) नैनो पैमाने पर विद्युत और यांत्रिक कार्यक्षमता को एकीकृत करने वाले उपकरणों का एक वर्ग है। NEMS तथाकथित माइक्रोवैद्युत-यांत्रिक प्रणाली, या MEMS उपकरणों से  निकटतम तार्किक लघुकरण चरण बनाता है। NEMS सामान्यतः यांत्रिक  प्रवर्तक,  स्पंदित या दृष्टि-प्रेरक के साथ प्रतिरोधान्तरित्र-जैसे नैनो इलेक्ट्रॉनिक्स को एकीकृत करता है, और इस प्रकार भौतिक, जैविक और रासायनिक संवेदक बना सकता है। यह नाम नैनोमीटर श्रेणी में विशिष्ट उपकरण आयामों से निकला है, कम द्रव्यमान, उच्च यांत्रिक अनुनाद आवृत्तियों, संभावित रूप से बड़े क्वांटम यांत्रिक प्रभाव जैसे शून्य बिंदु गति, और सतह-आधारित संवेदन तंत्रों के लिए उपयोगी एक उच्च सतह-से-मात्रा अनुपात के लिए अग्रणी है। अनुप्रयोगों में हवा में रासायनिक पदार्थ  का पता लगाने के लिए  प्रवेगमापी और संवेदित्र  सम्मिलित  हैं।

पृष्ठभूमि
जैसा कि रिचर्ड फेनमैन ने 1959 में अपने प्रसिद्ध व्याख्यान में कहा 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 है। अपेक्षित लाभों में अधिक दक्षता और कम आकार, बिजली की क्षय में कमी और विद्युत्-यांत्रिक प्रणाली में उत्पादन की कम व्यय सम्मिलित  है।

1960 में, बेल प्रयोगशाला में मोहम्मद एम. अटाला और डॉन कहंग ने 100 nm के गेट ऑक्साइड सघनता के साथ पहला MOSFET तैयार किया।। 1962 में, अटाला और कहंग ने एक नैनोस्तर-आधारित धात्विक-अर्धचालक संयोजन (M–S संयोजन) प्रतिरोधान्तरित्र  का निर्माण किया, जिसमें 10 nm की सघनता के साथ सोने (Au) पतली झिल्ली का उपयोग  किया गया था। 1987 में, बिजन डावरी ने IBM की एक शोध टीम का नेतृत्व किया जिसने 10 nm ऑक्साइड सघनता के साथ पहले MOSFET का प्रदर्शन किया। मल्टी-गेट MOSFETs ने FinFET से प्रारंभ होकर 20 nm प्रणाल लंबाई के नीचे  प्रवर्धन को सक्षम किया। FinFET की उत्पत्ति 1989 में हिताची केंद्रीय अनुसंधान प्रयोगशाला में दीघ हिसामोटो के शोध से हुई है।।  यूसी बर्कले में, हिसामोटो और TSMC के चेनमिंग हू के नेतृत्व में एक समूह ने 1998 में FinFET उपकरणों को 17 nm प्रणाल लंबाई तक बनाया।।

NEMS
2000 में, IBM में शोधकर्ताओं द्वारा पहले बहुत बड़े स्तर पर एकीकरण (VLSI) NEMS उपकरण का प्रदर्शन किया गया था। इसका आधार AFM युक्तियों की एक सरणी थी जो मेमोरी यन्त्र के रूप में कार्य करने के लिए एक विकृत कार्यद्रव को ऊष्मा/समझ सकता है। आगे के उपकरणों का वर्णन स्टीफ़न डी हान द्वारा किया गया है। 2007 में अर्धचालक  के लिए अंतर्राष्ट्रीय तकनीकी  दिशानिर्देश (ITRS) आविर्भाव  अनुसंधान उपकरण अनुभाग के लिए एक नई प्रविष्टि के रूप में NEMS मेमोरी सम्मिलित  है।

परमाणु बल सूक्ष्मदर्शिकी
NEMS का एक प्रमुख अनुप्रयोग परमाणु बल सूक्ष्मदर्शिकी संकेत है। NEMS द्वारा प्राप्त की गई बगई बढ़ी संवेदनशीलता परमाणु स्तर पर बल, कंपन, बलों और रासायनिक संकेतों का पता लगाने के लिए छोटे और अधिक प्रभावशाली संवेदित्र की ओर ले जाती है। AFM युक्तियाँ और  नैनोस्तर  पर अन्य अमुसंधान NEMS पर बहुत अधिक निर्भर करती हैं।

लघुकरण के लिए उपागम
NEMS के निर्माण के लिए दो पूरक उपागम मिल सकते हैं। अधोमुखी उपागम उपकरणों के निर्माण के लिए पारंपरिक सूक्ष्म-संरचना विधियों, अर्थात प्रकाशिक फोटोलिथोग्राफी, इलेक्ट्रॉन किरणपुंज  अश्म मुद्रण और ऊष्मीय प्रशोधन का उपयोग करता है। इन विधियों के वियोजन द्वारा सीमित होने की अवस्था मे, यह परिणामी संरचनाओं पर बड़े पैमाने पर नियंत्रण की स्वीकृति देता है। इस तरीके से सिलिकॉन  नैनोतार, नैनोछड़, और प्रतिलिपि  वाले नैनोसंरचना  जैसे उपकरणों को धातु की पतली झिल्ली या उत्कीर्णित अर्धचालक  परतों से निर्मित किया जाता है। अधोमुखी  उपागमों के लिए, सतह क्षेत्र से आयतन अनुपात में वृद्धि अतिसूक्ष्म-सामग्री की प्रतिक्रियाशीलता को बढ़ाती है।

इसके विपरीत, ऊर्ध्वगामी उपागम, एकल अणुओं के रासायनिक गुणों का उपयोग एकल-अणु घटकों को स्व-संगठित करने या कुछ उपयोगी संरूपण में स्व-संयोजन करने के लिए, या स्थितीय संयोजन पर निर्भर करते हैं। ये उपागम आणविक स्व-संयोजन और/या आणविक अभिज्ञान की अवधारणाओं का उपयोग करते हैं। यह बहुत छोटी संरचनाओं के निर्माण की स्वीकृति देता है, यद्यपि प्रायः निर्माण प्रक्रिया के सीमित नियंत्रण को निश्चित करना। इसके अतिरिक्त, जबकि अधोमुखी उपागम के लिए मूल संरचना से अवशेष सामग्री हटा दी जाती है, ऊर्ध्वगामी उपागम के लिए न्यूनतम सामग्री हटा दी जाती है या निरर्थक हो जाती है।

इन उपागमों का एक संयोजन भी उपयोग किया जा सकता है, जिसमें  नैनो-स्तर अणुओं को एक अधोमुखी रूपरेखा में एकीकृत किया जाता है। ऐसा ही एक उदाहरण कार्बन  अतिसूक्ष्म-परिनालिका  अतिसूक्ष्म-प्रेरक है।

कार्बन अपरूप
NEMS प्रौद्योगिकी के लिए सामान्यतः उपयोग की जाने वाली कई सामग्रियां कार्बन आधारित हैं, विशेष रूप से हीरा, कार्बन अतिसूक्ष्म-परिनालिका और ग्राफीन। यह मुख्य रूप से कार्बन आधारित सामग्रियों के उपयोगी गुणों के कारण है जो प्रत्यक्ष रूप से NEMS की जरूरतों को पूरा करते हैं। कार्बन के यांत्रिक गुण (जैसे बड़े यंग प्रत्यास्थता गुणांक) NEMS की स्थिरता के लिए अत्यन्त महत्वपूर्ण हैं जबकि कार्बन आधारित सामग्रियों की धातु और अर्धचालक चालकताएं उन्हें प्रतिरोधान्तरित्र  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, और बड़े सतह क्षेत्र प्रदर्शित करते हैं। CNTs का कम घर्षण, व्यावहारिक रूप से घर्षण रहित बीयरिंगों की स्वीकृति देता है और इस प्रकार NEMS में रचनात्मक तत्वों, जैसे अतिसूक्ष्म-प्रेरक, स्विच और उच्च-आवृत्ति दोलक के रूप में CNTs के व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए एक बड़ी अभिप्रेरणा रही है। कार्बन अतिसूक्ष्म-परिनालिका और ग्राफीन की भौतिक शक्ति कार्बन आधारित सामग्रियों को उच्च दबाव अनुरोधों को पूरा करने की स्वीकृति देती है, जब सामान्य सामग्री सामान्य रूप से विफल हो जाती है और इस प्रकार NEMS तकनीकी विकास में एक प्रमुख सामग्री के रूप में उनके उपयोग का समर्थन करती है।

कार्बन आधारित सामग्रियों के यांत्रिक गुणों के साथ, कार्बन अतिसूक्ष्म-परिनालिका और ग्राफीन के विद्युत गुण इसे NEMS के कई विद्युत घटकों में उपयोग करने की स्वीकृति देते हैं। दोनों कार्बन अतिसूक्ष्म-परिनालिका साथ ही ग्राफीन के लिए नैनोप्रतिरोधान्तरित्र विकसित किए गए हैं। प्रतिरोधान्तरित्र  सभी इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए मौलिक मूलभूत अंग  में से एक हैं, इसलिए उपयोग करने योग्य प्रतिरोधान्तरित्र  को प्रभावी ढंग से विकसित करके, कार्बन अतिसूक्ष्म-परिनालिका और ग्रैफेन दोनों NEMS के लिए बहुत महत्वपूर्ण हैं।

अतिसूक्ष्म-यांत्रिक अनुनादक प्रायः ग्राफीन से बने होते हैं। जैसा कि NEMS  अनुनादक यंत्रों को आकार कम कर दिया जाता है, सतही क्षेत्रफल और आयतन अनुपात के व्युत्क्रमानुपाती में गुणवत्ता कारक में कमी की एक सामान्य प्रवृत्ति है। हालांकि, इस निर्देशार्थ के होने पर भी, यह प्रयोगात्मक रूप से 2400 के उच्च गुणवत्ता वाले कारक तक पहुंचने के लिए सिद्ध हुआ है।  गुणवत्ता कारक अनुनादक यंत्र के कंपन के स्वर की शुद्धता का वर्णन करता है। इसके अतिरिक्त, यह सैद्धांतिक रूप से  पूर्वानुमानित  है कि सभी पक्षों पर ग्राफीन झिल्ली बंधन से गुणवत्ता संख्या में वृद्धि होती है। ग्राफीन NEMS द्रव्यमान, बल और स्थिति, संवेदित्र के रूप  में भी कार्य कर सकता है।

धात्विक कार्बन अतिसूक्ष्म-परिनालिका
कार्बन अतिसूक्ष्म-परिनालिका (CNTs) एक बेलनाकार नैनो-संरचना के साथ कार्बन के अपररूप हैं। उन्हें बेलन ग्राफीन माना जा सकता है। जब विशिष्ट और असतत ("चिराल") कोणों पर वेलित हो जाता है, और आवर्ती  कोण और त्रिज्या का संयोजन स्थिर करता है कि अतिसूक्ष्म-परिनालिका में एक ऊर्जा अंतराल (अर्धचालक) है या कोई ऊर्जा अंतराल (धात्विक) नहीं है। धात्विक कार्बन अतिसूक्ष्म-परिनालिका भी नैनोइलेक्ट्रॉनिक अन्तर्संबद्ध  के लिए  भी प्रस्तावित किए गए हैं क्योंकि वे उच्च विद्युत प्रवाह घनत्व ले सकते हैं।  यह एक उपयोगी गुण  है क्योंकि विद्युत प्रवाह स्थानांतरण करने के लिए तार किसी भी विद्युत प्रणाली का एक और मौलिक मूलभूत अंग है। कार्बन अतिसूक्ष्म-परिनालिका ने विशेष रूप से NEMS में इतना अधिक उपयोग पाया है कि निलंबित कार्बन अतिसूक्ष्म-परिनालिका को अन्य नैनो-सरंचना  से जोड़ने के तरीकों की खोज पहले ही की जा चुकी है। यह कार्बन अतिसूक्ष्म-परिनालिका को जटिल नैनो-वैद्युत प्रणाली बनाने की स्वीकृति देता है। क्योंकि कार्बन आधारित उत्पादों को ठीक से नियंत्रित किया जा सकता है और अन्तर्संबद्ध के साथ-साथ प्रतिरोधान्तरित्र  के रूप में कार्य किया जा सकता है, वे NEMS के विद्युत घटकों में एक अत्यन्त महत्वपूर्ण सामग्री के रूप में काम करते हैं।

CNT-आधारित NEMS स्विच
NEMS स्विच पर MEMS स्विच का एक बड़ी क्षति MEMS की सीमित माइक्रोसेकंड श्रेणी  स्विचिन  गति है, जो उच्च गति अनुप्रयोगों के प्रदर्शन को बाधित करता है। माइक्रो से नैनोमीटर माप  तक उपकरणों को माप करके स्विचिन गति  और प्रवर्तन विद्युत-दाब की सीमाओं को दूर किया जा सकता है। कार्बन अतिसूक्ष्म-परिनालिका (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 के उपभोग के निचले स्तर पर प्रदर्शन को बनाए रखा और एक  उप-प्रभावसीमा क्षरण विद्युत प्रवाह था, जो कि CMOS स्विच की तुलना में परिमाण के कई अनुक्रम थे।. युग्म-बंध संरचनाओं के साथ CNT-आधारित NEMS का प्लावी गेट अवाष्पशील मेमोरी अनुप्रयोगों के संभावित समाधान के रूप में आगे अध्ययन किया जा रहा है।

कठिनाइयाँ
NEMS प्रौद्योगिकी के लिए कार्बन अतिसूक्ष्म-परिनालिका और ग्राफीन के सभी उपयोगी गुणों के होने पर भी, 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 स्पर्शी में आने पर कार्बन अतिसूक्ष्म-परिनालिका 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 अतिसूक्ष्म-परिनालिका में अलग-अलग चालकताएं भी पाई गईं, जो या तो धात्विक या अर्धचालक होती हैं, जो संसाधित होने पर उनके चुंबकीय कुंडलता पर निर्भर करता है। इस वजह से, यह सुनिश्चित करने के लिए प्रसंस्करण के समय अतिसूक्ष्म-परिनालिका को विशेष प्रशोधन दिया जाना चाहिए कि सभी अतिसूक्ष्म-परिनालिका 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 उपकरण के माध्यम से कैसे स्थानांतरित किया जाता है, इसके लिए अनिवार्य रूप से सभी नियमों को बदल देता है।  इसका तात्पर्य यह है कि इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के पारंपरिक निर्माण संभवतः काम नहीं करेंगे और इन नए इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए पूरी तरह से नए संरचना डिजाइन किए जाने चाहिए।

नैनोवैद्युत-यांत्रिक त्वरणमापी
ग्राफीन के यांत्रिक और इलेक्ट्रॉनिक गुणों ने इसे NEMS त्वरणमापी में एकीकरण के लिए अनुकूल बना दिया है, जैसे कि छोटे संवेदित्र और ह्रदय अनुप्रवर्तन प्रणाली और गतिशील प्रावेदन अभिग्रहण के लिए प्रेरक। ग्राफीन की परमाणु पैमाने की मोटाई प्रणाली के आवश्यक संवेदनशीलता स्तरों को बनाए रखते हुए त्वरणमापी को माइक्रो से  नैनोस्तर  तक नीचे ले जाने का प्रतिधारक प्रदान करती है।

दोहरी परत ग्राफीन रिबन पर एक सिलिकॉन प्रतिरोध करने योग्य द्रव्यमान को निलंबित करके, एक नैनोस्तर  स्प्रिंग द्रव्यमान और पीज़ोरेसिस्टिव पारक्रमित्र को त्वरणमापी में वर्तमान में उत्पादित पारक्रमित्र की क्षमता के साथ बनाया जा सकता है। स्प्रिंग द्रव्यमान अधिक शुद्धता प्रदान करता है, और ग्राफीन के पीज़ोरेसिस्टिव गुण त्वरणमापी के लिए विकृति को त्वरण से विद्युत संकेतों में परिवर्तित करते हैं। निलंबित ग्राफीन रिबन एक साथ स्प्रिंग और पीज़ोरेसिस्टिव पारक्रमित्र बनाता है, जिससे NEMS त्वरणमापी के प्रदर्शन में सुधार करते हुए अंतराल का प्रभावशाली उपयोग होता है।

पॉलीडाइमिथाइलसिलोक्सेन (PDMS)
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 NEMS प्रायः सिलिकॉन का उपयोग करता है; हालाँकि, इसकी आंतरिक कठोरता प्रायः गतिशील भागों वाले उपकरणों की क्षमता में बाधा डालती है।

ओहियो राज्य के शोधकर्ताओं द्वारा किए गए एक अध्ययन ने PDMS विलेपित के प्रतिकूल प्राकृत ऑक्साइड परत के साथ एकल क्रिस्टल सिलिकॉन के आसंजन और घर्षण मापदंडों की तुलना की। PDMS एक सिलिकॉन प्रत्यास्थलक है जो अत्यधिक यंत्रवत् समस्वरणीय करने योग्य, रासायनिक रूप से निष्क्रिय, तापीय रूप से स्थिर, गैसों के लिए पारगम्य, पारदर्शी, गैर-प्रतिदीप्ति, जैव संगत और निराविषी है। बहुलक के निहित, PDMS के यंग मापांक, बहुलक श्रृंखलाओं के तिर्यकबंधन की सीमा में कुशलतापूर्वक प्रयोग करके परिमाण के दो आदेशों में भिन्न हो सकते हैं, जिससे यह NEMS और जैविक अनुप्रयोगों में एक व्यवहार्य सामग्री बन जाता है। PDMS सिलिकॉन के साथ एक प्रगाढ  दृढ़ीकरण बना सकता है और इस प्रकार यांत्रिक और विद्युत दोनों गुणों को अनुकूलित करते हुए NEMS प्रौद्योगिकी में आसानी से एकीकृत किया जा सकता है। PDMS जैसे बहुलक अपने तुलनात्मक रूप से सस्ते, सरलीकृत और समय-प्रभावशाली प्राथमिक अवस्था और निर्माण के कारण NEMS में ध्यान आकर्षित करने लगे हैं।

स्थिरता की अवस्था को आसंजक बल के साथ प्रत्यक्ष रूप से सहसंबंधित करने की विशेषता दी गई है, और बढ़ी हुई सापेक्ष आर्द्रता से हाइड्रोफिलिक बहुलक के लिए आसंजक बल में वृद्धि होती है। स्पर्शी 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 आसंजक बल स्थिरता की अवस्था से भी स्वतंत्र होती हैं, जो अलग-अलग सापेक्ष आर्द्रता स्थितियों के अधीन बहुमुखी प्रदर्शन करने में सक्षम होती हैं, और सिलिकॉन की तुलना में घर्षण का कम गुणांक रखती हैं। PDMS परत उच्च-वेग की समस्याओं को कम करने की सुविधा प्रदान करती हैं, जैसे फिसलने से रोकना। इस प्रकार, स्पर्शी  सतहों पर घर्षण अधिकतम  उच्च वेगों पर भी कम रहता है। वस्तुत:, सूक्ष्म पैमाने पर, बढ़ते वेग के साथ घर्षण कम हो जाता है। PDMS की हाइड्रोफोबिसिटी और कम घर्षण गुणांक ने NEMS प्रयोगों के अंदर और अधिक सम्मिलित  होने की अपनी क्षमता को उत्पन्न दिया है जो अलग-अलग सापेक्ष आर्द्रता और उच्च सापेक्ष अस्थिर वेग पर आयोजित किए जाते हैं।

PDMS-विलोपित पीजोरेसिस्टिव नैनोवैद्युत-यांत्रिक प्रणाली झिल्ली
PDMS का उपयोग प्रायः NEMS तकनीक के अंदर किया जाता है। उदाहरण के लिए, झिल्ली पर PDMS विलेपित 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 नैनोतार (SiNWs) के साथ सन्निहित एक पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन (PDMS)-विलोपित नैनोवैद्युत-यांत्रिक प्रणाली झिल्ली का आविष्कार किया। क्लोरोफॉर्म वाष्प की उपस्थिति में, सूक्ष्म-झिल्ली पर PDMS पतली झिल्ली वाष्प के अणुओं को अवशोषित करती है और इसके परिणामस्वरूप सूक्ष्म-झिल्ली के विरूपण की ओर अग्रसर होती है। सूक्ष्म-झिल्ली के अंदर लगाए गए SiNWs को व्हीटस्टोन ब्रिज से जोड़ा जाता है, जो विरूपण को एक मात्रात्मक प्रक्षेपण विद्युत-दाब में बदल देता है। इसके अतिरिक्त, माइक्रो-झिल्ली संवेदित्र कम बिजली की उपभोग पर कम  व्यय वाले प्रसंस्करण को भी प्रदर्शित करता है। इसमें मापक्रमणीयता,  अत्यंत-सुसम्बद्ध पदचिह्न और CMOS-IC प्रक्रिया अनुकूलता के लिए अधिकतम  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 अनुभाग में चर्चा की गई इसके अंतर्निहित गुणों के अतिरिक्त, PDMS का उपयोग क्लोरोफॉर्म को अवशोषित करने के लिए किया जा सकता है, जिसका प्रभाव सामान्यतः सूक्ष्म-झिल्ली की शोथ और विरूपण से जुड़ा होता है; इस अध्ययन में विभिन्न जैविक वाष्पों का भी आकलन किया गया। उपयुक्त काल-प्रभावन बढ़ने की स्थिरता और उपयुक्त संतुलन के साथ, ऊष्मा, प्रकाश और विकिरण की प्रतिक्रिया में PDMS की अधोगति दर को निष्क्रिय किया जा सकता है।

जैव-संकर NEMS
जैव-संकर प्रणाली का आविर्भावी क्षेत्र जैवचिकित्सीय या यंत्रमानववत् अनुप्रयोगों के लिए जैविक और संश्लेषित संरचनात्मक तत्वों को जोड़ता है। जैव-नैनोवैद्युत-यांत्रिक प्रणाली (bioNEMS) के घटक तत्व नैनोस्तर  आकार के होते हैं, उदाहरण के लिए DNA, प्रोटीन या नैनोसंरचित यांत्रिक भाग। उदाहरणों में तिर्यक बद्ध और यंत्रवत् रूप से मजबूत नैनोसंचरित बनाने के लिए थिओल-एनी बहुलक की सतही अधोमुखी  नैनोसंरचना सम्मिलित  है जो बाद में प्रोटीन के साथ क्रियाशील होती है।

अनुकरण
कंप्यूटर अनुकरण लंबे समय से NEMS उपकरणों के प्रायोगिक अध्ययन के महत्वपूर्ण समकक्ष रहे हैं। निरंतर यांत्रिकी और आणविक गतिशीलता (MD) के माध्यम से, NEMS उपकरणों के महत्वपूर्ण व्यवहारों को प्रयोगों में सम्मिलित होने से पहले अभिकलनात्मक प्रतिरूपण के माध्यम से प्रागुक्त की जा सकती है।   इसके अतिरिक्त,  सतत और MD तकनीकों का संयोजन इंजीनियरों को अति-बारीक जाल  और समय-गहन अनुकरण का सहारा लिए बिना NEMS उपकरणों की स्थिरता का प्रभावशालीतापूर्वक विश्लेषण करने में सक्षम बनाता है। सिमुलेशन के अन्य लाभ भी हैं: उन्हें NEMS उपकरणों के निर्माण से जुड़े समय और विशेषज्ञता की आवश्यकता नहीं होती है; वे विभिन्न वैद्युत-यांत्रिक प्रभावों की परस्पर संबंधित भूमिकाओं का प्रभावी रूप से अनुमान लगा सकते हैं; प्रायोगिक उपागमों की तुलना में  प्राचलिक अध्ययन अधिकतम  आसानी से किए जा सकते हैं। उदाहरण के लिए, अभिकलनात्मक अध्ययनों ने NEMS उपकरणों के आवेश वितरण और "पुल-इन"  विद्युत्-यांत्रिक  प्रतिक्रियाओं की प्रागुक्त की है।  इन उपकरणों के यांत्रिक और विद्युत व्यवहार की प्रागुक्त करने के लिए अनुकरण का उपयोग NEMS उपकरण डिज़ाइन  मापदण्ड को अनुकूलित करने में सहायता कर सकता है।

विश्वसनीयता और चुनौतियां
विश्वसनीयता एक निर्दिष्ट उत्पाद जीवनकाल के लिए विफलता के बिना घटक की अखंडता और प्रदर्शन का मात्रात्मक माप प्रदान करती है। NEMS उपकरणों की विफलता को यांत्रिक, विद्युत, रासायनिक और तापीय कारकों जैसे विभिन्न स्रोतों के लिए अधीन किया जा सकता है। NEMS उपकरणों के लिए उच्च स्तर की विश्वसनीयता प्राप्त करने के लिए प्रमुख निर्देशार्थ के रूप में विफलता तंत्र की पहचान, लाभ में सुधार, सूचना की कमी और पुनरुत्पादन संबंधी विषय की पहचान की गई है। इस तरह की चुनौतियाँ विनिर्माण चरणों (अर्थात वेफर प्रसंस्करण, संतुलन, सुनिश्चित संयोजन) और निर्माण के बाद के चरणों (अर्थात वहनीयता, तार्किक, उपयोग) दोनों के समय उत्पन्न होती हैं।

संतुलन
संतुलन चुनौतियां प्रायः MEMS और NEMS की कुल लागत का 75-95% होती हैं। MEMS या NEMS घटक के डिजाइन के साथ संरेखित करने के लिए संतुलन डिजाइन द्वारा वेफर डाइसिंग, उपकरण मोटाई, अंतिम रिलीज के अनुक्रम,ऊष्मीय विस्तार, यांत्रिक तनाव अलगाव, शक्ति और गर्मी अपव्यय, रेंगना न्यूनीकरण, मीडिया अलगाव और सुरक्षात्मक परत 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 उपयोग किया गया है, जैसे कैप टू वेफर, वेफर टू वेफर और थिन पतली झिल्ली 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 NEMS की विश्वसनीयता का आकलन उपज में सुधार के लिए आवश्यक है। सतह बलों के रूप, जैसे आसंजन और इलेक्ट्रोस्टैटिक बल, सतह स्थलाकृति और स्पर्शी ज्यामिति पर अधिकतम  हद तक निर्भर हैं। नैनो-बनावट वाली सतहों का चुनिंदा निर्माण स्पर्शी  क्षेत्र को कम करता है, NEMS के लिए आसंजन और घर्षण प्रदर्शन दोनों में सुधार करता है। इसके अतिरिक्त, नैनोपोस्ट को इंजीनियर सतहों पर लागू करने से हाइड्रोफोबिसिटी बढ़ जाती है, जिससे आसंजन और घर्षण दोनों में कमी आती है। NEMS उपकरण के उपयुक्त अनुप्रयोगों के लिए सतह खुरदरापन को समायोजित करने के लिए नैनोपैटर्निंग द्वारा आसंजन और घर्षण को भी कुशलतापूर्वक प्रयोग किया जा सकता है। ओहियो स्टेट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने हाइड्रोफोबिसिटी, आसंजन, और हाइड्रोफिलिक बहुलक 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 सूक्ष्मदर्शिकी (AFM / एफएफएम) का उपयोग किया। हाइड्रोफिलिक सतहों बनाम हाइड्रोफोबिक सतहों पर खुरदरापन क्रमशः विपरीत रूप से सहसंबद्ध और प्रत्यक्ष रूप से सहसंबद्ध संबंध पाया जाता है। इसकी बड़ी सतह क्षेत्र से मात्रा अनुपात और संवेदनशीलता के कारण, आसंजन और घर्षण NEMS उपकरणों के प्रदर्शन और विश्वसनीयता को बाधित कर सकते हैं। इन उपकरणों के प्राकृतिक डाउन-स्केलिंग से ये ट्राइबोलॉजिकल मुद्दे उत्पन्न होते हैं; हालाँकि,प्रणाली को संरचनात्मक सामग्री, सतहझिल्ली और स्नेहक के कुशलतापूर्वक प्रयोग के माध्यम से अनुकूलित किया जा सकता है। अनोपेड Si या पॉलीसिलिकॉनझिल्ली की तुलना में, SiCझिल्ली में सबसे कम घर्षण प्रक्षेपण होता है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च तापमान पर खरोंच प्रतिरोध और बढ़ी हुई कार्यक्षमता बढ़ जाती है। हार्ड डायमंड जैसी कार्बन (डीएलसी) परत रासायनिक और विद्युत प्रतिरोधों के अतिरिक्त 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 स्पर्शी कोण को बढ़ाकर अनुकूलित किया जा सकता है और कम आसंजन और उपकरण 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 अधीन उपकरण उद्योग में कैसे काम करेगा। थीटा संरचना एक NEMS 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 नैनो पैमाने 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 उपकरण 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 समस्वरणीय किया जा सकता है।

परमाणु बल सूक्ष्मदर्शिकी (AFM) और रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग बल मात्रा इमेजिंग, स्थलाकृति और बल घटता के संदर्भ में पतलीझिल्ली पर अवशिष्ट तनाव के वितरण की विशेषता के लिए किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, 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 NEMS उपकरणों के व्यावसायिक अनुप्रयोग को रोकने वाली प्रमुख बाधाओं में निम्न-उपज और उच्च उपकरण गुणवत्ता परिवर्तनशीलता सम्मिलित हैं। NEMS उपकरणों को वस्तुत:  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 प्रभावशाली और टिकाऊ NEMS 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 समस्वरणीय करने योग्य NEMS को डिजाइन करने के लिए चाकोजेनाइड ग्लास के नैनोवायरों ने एक महत्वपूर्ण मंच दिखाया है। NEMS का वैश्विक बाजार 2022 तक 108.88 मिलियन डॉलर तक पहुंचने का अनुमान है।

नैनोवैद्युत-यांत्रिक-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 पतली झिल्ली पर आधारित इलेक्ट्रॉनिक विस्थापन पारक्रमित्र का समावेश स्पष्ट और प्रभावशाली नैनोउपकरण रीडआउट की सुविधा देता है। लक्षित प्रजातियों के लिए उच्च विभाजन गुणांक के साथ एक पतली बहुलक विलेपित का उपयोग करके उपकरण की सतह का कार्यात्मककरण NEMS-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। संवेदित्र, स्कैनिंग जांच, और बहुत उच्च आवृत्ति (100 मेगाहर्ट्ज) पर काम करने वाले उपकरणों के अनुप्रयोगों के लिए NEMS-आधारित कैंटिलीवर की और क्षमताओं का उपयोग किया गया है।

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