Традиционные интегральные схемы на основе кремния используются во многих приложениях, от больших серверов данных до автомобилей и сотовых телефонов.

Однако, в то время как схемы на основе кремния продолжают уменьшаться в размерах в неустанном следовании Закону Мура - предсказанию о том, что количество транзисторов, которые могут поместиться на интегральной схеме, удваивается каждые два года, - энергопотребление быстро растет. Кроме того, обычная кремниевая электроника плохо функционирует в экстремальных условиях, таких как высокие температуры или радиация.

Стремясь поддержать развитие этих устройств при одновременном снижении энергопотребления, различные исследовательские сообщества ищут гибридные или альтернативные технологии. Технология наноэлектромеханических переключателей (NEM) является одним из вариантов, который демонстрирует большие перспективы.

"Переключатели NEM состоят из наноструктуры (такой как углеродная нанотрубка или нанопроволока), которая механически отклоняется под действием электростатических сил для установления или разрыва контакта с электродом", - сказал Орасио Эспиноза, профессор производства и предпринимательства Джеймс Н. и Нэнси Дж. Фарли в Инженерной школе Маккормика при Северо-Западном университете.

Переключатели NEM, которые могут быть сконструированы так, чтобы функционировать подобно кремниевому транзистору, могут использоваться либо в автономных, либо в гибридных устройствах NEM-кремния. Они обеспечивают как сверхнизкое энергопотребление, так и высокую устойчивость к высоким температурам и радиационному воздействию.

Учитывая их потенциал, в последнее десятилетие значительное внимание уделялось разработке как гибридных, так и автономных устройств NEM. Обзор этого десятилетия прогресса представлен группой Эспинозы в текущем номере журнала Nature Nanotechnology.В их обзоре содержится всестороннее обсуждение потенциала этих технологий, а также основных проблем, связанных с их внедрением.

Например, одной из давних задач было создание массивов из миллионов наноструктур, таких как углеродные нанотрубки, которые используются для изготовления этих устройств NEM. (В перспективе современная кремниевая электроника может содержать миллиарды транзисторов на одном кристалле.) В обзоре исследователей описываются продемонстрированные на сегодняшний день методы создания этих матриц и то, как они могут обеспечить путь к массовой реализации гибридных устройств NEM-CMOS.

Аналогичным образом, хотя отдельные устройства NEM демонстрируют чрезвычайно высокую производительность, пока оказалось трудным обеспечить их надежную работу в течение миллионов циклов, что необходимо, если они будут использоваться в бытовой электронике. В обзоре подробно рассматриваются различные виды сбоев и описываются перспективные методы их преодоления.

Пример достижений, которые способствуют повышению надежности технологий NEM switch, представлен в текущем выпуске журнала Advanced Materials. Здесь Эспиноза и его группа показывают, как новый выбор материала может значительно повысить надежность как гибридных NEM-CMOS, так и автономных NEM-устройств.

"Устройства NEM с широко используемыми металлическими электродами часто выходят из строя в результате одного из различных режимов отказа всего после нескольких циклов активации", - сказал Оуэн Лох, аспирант Северо-Западного университета и соавтор статьи, в настоящее время работающий в Intel.

Просто заменив металлические электроды электродами, изготовленными из проводящих алмазоподобных углеродных пленок, группа смогла значительно увеличить количество циклов, которые выдерживают эти устройства. Переключатели, которые первоначально выходили из строя менее чем через 10 циклов, теперь работали в течение 1 миллиона циклов без сбоев. Это легкое, но эффективное усовершенствование может стать ключевым шагом к реализации устройств NEM, потенциал которых описан в недавнем обзоре.

Работа, опубликованная в журнале Advanced Materials, была результатом совместного сотрудничества Northwestern, Центра интегрированных нанотехнологий в Национальной лаборатории Сандиа и Центра наноразмерных материалов в Аргоннской национальной лаборатории. Финансирование было предоставлено Национальным научным фондом, Исследовательским управлением армии, Министерством энергетики США и Управлением военно-морских исследований.

"В конечном счете, реализация гибридных устройств NEM-CMOS следующего поколения позволит продолжать масштабирование электроники, которая питает многочисленные системы, с которыми мы сталкиваемся ежедневно", - сказал Эспиноза. "В то же время, это потребует постоянного подталкивания со стороны инженерных сообществ, фундаментальных наук и материаловедения".