Наноэлектромеханическая структура (варианты) и способ ее получения (варианты)
Иллюстрации
Показать всеИзобретение относится к микро- и наноэлектромеханическим устройствам и к способу их изготовления. В одном из вариантов реализации изобретения в основе получения наноэлектромеханической структуры лежат механизмы самоорганизации и самосовмещения, в результате чего ее существенные геометрические параметры не испытывают ограничения со стороны возможностей традиционной фотолитографии. Данное обстоятельство обеспечивает достижение степени интеграции до 1016 м-2 и выше. Кроме того, в одном из аспектов изобретения в качестве независимой координаты адресации элементов используется их резонансная частота, что позволяет уменьшить плотность необходимых межсоединений. В другом аспекте изобретения обеспечивается датчик газов, обладающий высокой чувствительностью измерения концентрации определенных газов или частиц в атмосфере, универсальными и гибкими механизмами селективности, контролируемым процессом регенерации сенсорной способности. Изобретение позволяет повысить степень интеграции и частоту работы, уменьшить флуктуации параметров элементов, увеличить их временную и радиационную стабильность, повысить чувствительность и селективность к физическим и химическим воздействиям, а также уменьшить себестоимость получаемых систем. 4 н. и 24 з.п. ф-лы, 7 ил.
Реферат
Изобретение относится к микро- и наноэлектромеханическим устройствам, имеющим приложения в микроэлектронике, микросистемной и сенсорной технике, и к способу их изготовления.
Потенциал применения наноструктур в качестве функциональных элементов трудно переоценить. Например, значительный интерес представляет применение наноструктур в основе механических резонаторов в системах обработки сигналов. Такие резонаторы должны заменить внешние к интегральной схеме фильтры на основе относительно больших кварцевых резонаторов. Существует направление МЭМС резонаторов (резонаторы на основе микроэлектромеханических систем), основанное на использовании механического движения подвешенной кремниевой балки. Однако типичные размеры кремниевой балки соответствуют микрометровому диапазону, что обуславливает частоту собственных колебаний на уровне нескольких мегагерц. При более высоких частотах резонаторы данного типа начинают страдать от падения коэффициента добротности. Кроме того, оказываются весьма ограниченными динамический диапазон и возможность настройки резонансной частоты кремниевой балки, а также усугубляется проблема преобразования механического движения балки в выходной электрический сигнал (WO 02080360). Применение наноструктур в качестве основы механических резонаторов позволит преодолеть перечисленные недостатки и создать высокочастотные малошумящие резонаторы с высоким коэффициентом добротности.
Механические осцилляторы также могут рассматриваться в качестве элементной базы для систем цифровой обработки информации. В ходе эволюции полупроводниковой электроники непрерывно шел процесс миниатюризации электронных устройств. Каждое новое поколение приборов отличалось меньшими размерами и большей скоростью срабатывания. Площадь кремниевых кристаллов, необходимых для выполнения конкретных функций, уменьшалась вдвое каждые полтора года. Размер приборов уменьшался равномерно с 50-х до конца 80-х годов (от 10 см - в вакуумных приборах до 1 мкм в интегральных схемах). Намечающийся в 90-е годы излом или насыщение этой зависимости связан как с принципиальными физическими ограничениями, препятствующими дальнейшему уменьшению размеров, так и с экспоненциальным ростом стоимости требуемых производственных мощностей. Фактор роста стоимости связан с выходом за рамки возможностей традиционной фотолитографии. Для дальнейшего уменьшения планарных размеров элементов необходимы уменьшение длины волны экспонирующего излучения и применение различных дополнительных технических решений. Это приводит к усложнению и удорожанию фотолитографического оборудования и уменьшению выхода годных. Альтернативные варианты литографии - электронная и ионно-лучевая литография в качестве главного недостатка имеют низкую производительность, что в результате также приводит к значительному росту стоимости. Помимо проблемы литографии существует проблема нарушения работоспособности традиционных кремниевых приборов при дальнейшей миниатюризации, что обусловлено следующими физическими ограничениями.
- Флуктуация концентрации примеси
В основе полупроводниковой электроники лежит процесс легирования, т.е. введения примесей. Однако распределение примесей является случайным и подвержено флуктуациям. Среднеквадратичная флуктуация Δ N числа примесей N=n·V в образце объема V равна:
ΔN≈N1/2=(n·V)1/2.
Для создания приборов с контролируемыми свойствами относительная флуктуация
концентрации примесей в данном объеме не должна быть больше чем 1%, т.е. N1/2/N≤0.01, следовательно, N=n·V≥104. При средней концентрации примеси n≈1018 см-3 это накладывает ограничение на объем устройства V>10-14 см3, что в свою очередь означает, что линейный размер устройства не должны опускаться ниже 0.2 мкм.
- Диффузия примесей на поверхности
Поверхностный коэффициент диффузии примесей оказывается существенно выше, чем в объеме. Данное обстоятельство ограничивает горизонтальные размеры устройств значением >0.1 мкм.
- Изменение характера электронного транспорта
При размерах устройства меньше, чем некоторые характерные длины, определяющие кинетику явлений переноса, происходит изменение самого характера электронного транспорта. Так, если размер устройства меньше, чем длина свободного пробега носителей l, транспорт становится баллистическим. Это, с одной стороны, повышает быстродействие, поскольку время пребывания электрона в устройстве и т.о. время любых физических процессов минимально (по сравнению с диффузионным переносом). Однако, с другой стороны, при этом обнаруживается чувствительность к реализации устройства, в частности, к характеру рассеяния на границах (и, таким образом, ужесточаются требования к технологии создания соответствующих устройств). Другой важный фактор связан с квантовыми интерференционными эффектами и проявляется в ситуации, когда транспорт в пределах устройства является фазово-когерентным. Это происходит, если размер устройства меньше, чем длина диффузии по отношению к процессам сбоя фазы. Фазовая когерентность вносит принципиально новую физику, в частности, увеличивается чувствительность параметров устройства к конкретной реализации пространственного распределения примесей, возникают нетривиальные зависимости сопротивления от электрического и магнитного полей (так называемые мезоскопические эффекты). Кроме того, обостряется проблема утечек электрического заряда в результате эффекта туннелирования, что, в частности, уменьшает временную стабильность создаваемых элементов памяти. Указанные обстоятельства, связанные, по сути дела, с размерными эффектами (в первом случае - классическими, во втором - квантовыми), приводят к принципиальным ограничениям создания устройств малых размеров.
- Нагрев интегральных схем
При прохождении тока нагрев одного элемента микросхемы с помощью фононов переносится на другие элементы, что приводит к нежелательным эффектам. Для нормальной работы нагрев не должен превышать 102 Вт/см2. По оценкам это приводит, в частности, к ограничению информативной памяти до (4-10) Мбт/см2 (Агринская Н.В., Молекулярная электроника, Учебное пособие).
В связи с описанными проблемами масштабирования традиционных кремниевых приборов в настоящее время ведется широкий поиск новой элементной базы и соответствующей технологии интеграции, которые легли бы в основу дальнейшего роста вычислительной мощности цифровых систем. Наноэлектромеханические системы составляют одно из наиболее перспективных направлений данного поиска.
Наноэлектромеханические структуры имеют большой потенциал также в решении задач сенсорной техники. Во многих отраслях человеческой деятельности существует интенсивная потребность в высокочувствительных и селективных датчиках газов. Кроме чувствительности и селективности, от датчиков требуются также такие качества, как малые размеры, надежность, долговечность и способность к многократной регенерации, малое потребление энергии и малая стоимость.
На настоящий момент наиболее широко представлены газовые датчики либо на основе эффекта поверхностных акустических волн, либо на основе химически чувствительных полевых транзисторов. Обладая приемлемой стоимостью, подобные устройства, однако, не обеспечивают порога чувствительности выше 1 нг/мм2.
Различные методики спектроскопии, например романовская спектроскопия поверхностного рассеяния, обеспечивают чувствительность до 1 пкг/мм2, однако подразумевают использование сложных оптических систем и сопровождающего оборудования и соответственно весьма дороги. Хроматографические методы измерения концентрации паров и газов также требуют сложного и дорогого оборудования и имеют узкоспециализированное применение (US 5719324).
Одно из перспективных направлений составляют датчики на основе микроэлектромеханического чувствительного элемента. В типичную конструкцию такого датчика входят пьезоэлектрический преобразователь, на котором консольно закреплен балочный элемент (как правило кремневая балка), а также средства для возбуждения пьезоэлектрического преобразователя на резонансной или околорезонансной частоте консольно закрепленного балочного элемента и средства детектирования колебаний для измерения изменения частоты колебаний балочного элемента вследствие изменения его константы жесткости в результате адсорбции газа (US 5719324).
К недостаткам устройств данного типа можно отнести следующие:
- Сложность задачи измерения частоты колебаний балочного элемента. Известный метод измерения посредством детектирования перемещения лазерного луча, отраженного от балочного элемента, радикально увеличивает размеры, сложность и стоимость всего устройства. Альтернативным методом измерения частоты колебаний может служить метод, основанный на модуляции электрической емкости системы балочный элемент - неподвижный электрод. Однако чувствительность данного метода сильно зависит от взаимного положения балочного элемента и неподвижного электрода: увеличение расстояния между ними приводит к быстрому уменьшению чувствительности. С другой стороны, уменьшение расстояния между балочным элементом и неподвижным электродом ужесточает требования к методу изготовления устройства и накладывает ограничения на диапазон допустимых изменений амплитуды колебаний балочного элемента. Пьезоэлектрические и тензорезистивные методы определения частоты колебаний, возможно, являются более перспективными, однако обеспечиваемая ими чувствительность сильно зависит от конкретной технической реализации и в случае малых колебаний балочного микроэлемента может оказаться недостаточной.
- Геометрические размеры балочного элемента ограничены возможностями современной MEMS технологии. Если речь идет об элементах плоской геометрии, например балках или мембранах, то их минимальная толщина ограничена величиной порядка 500 нм. Чувствительность частоты резонансных колебаний балочного элемента к воздействию газового адсорбата пропорциональна удельной площади этого элемента, которая в данном случае обратно пропорциональна его толщине. Кроме того, обусловленные геометрическими размерами балки ограничения по резонансной частоте и коэффициенту добротности также приводят к понижению чувствительности сенсорного элемента.
- Селективность процесса детектирования газов обеспечивается наличием у балочного элемента областей с поверхностью, обработанной (функционализированной) определенными химическими реагентами, обеспечивающими избирательное взаимодействие с газами определенных типов. Общая задача поиска таких химических реагентов, селективно и к тому же обратимо реагирующих с различными, практически важными газами, и функционализации этими реагентами поверхности твердого тела, сама по себе является весьма сложной и не имеющей на текущий момент удовлетворительного решения.
- Не предусмотрены средства контроля процесса регенерации сенсорной способности чувствительного элемента.
Для перечисленных выше приложений (а именно, аналоговая и цифровая обработка сигналов, сенсорика) известны различные электромеханические структуры, чьи функциональные элементы выполнены в наномасштабе. В частности было предложено в качестве элементов с управляемым состоянием использовать углеродные нанотрубки, которые свободны совершать механическое движение тем или иным образом (WO 02080360, WO 0103208, US 2002167375, ЕР 1646145, СА 2581248, US 2007063740, WO 2007030423). Однако в данных примерах разработчики, использовав потенциал процессов самоорганизации в той части, которая касается получения углеродных нанотрубок, на остальных этапах создания структур либо обращаются к традиционной, весьма ограниченной по возможностям литографии, либо вообще не затрагивают вопроса средств формирования предлагаемых структур.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании наноэлектромеханической функциональной структуры и способа ее получения, позволяющих преодолеть указанные недостатки микроэлектронных и сенсорных систем, составляющих текущий уровень техники, а именно: повысить степень интеграции и частоту работы, уменьшить флуктуации параметров элементов, увеличить их временную и радиационную стабильность, повысить чувствительность и селективность к физическим и химическим воздействиям, а также уменьшить себестоимость получаемых систем.
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в следующем:
- предложение в одном из аспектов изобретения функциональной структуры, обеспечивающей достижение высокой (до 1016 м-2 и выше) степени интеграции в силу выполнения двух условий:
а) в основе получения структуры лежат механизмы самоорганизации и самосовмещения, в результате чего существенные геометрические параметры структуры не испытывают ограничения со стороны возможностей традиционной фотолитографии.
б) воспроизводимость и работоспособность структуры сохраняются при предельно высоких степенях интеграции.
- обеспечение в одном из аспектов изобретения энергонезависимой памяти, характеризующейся высокой степенью интеграции, значительным уменьшением поверхностной плотности необходимых межсоединений, а также сверхбольшой радиационной стойкостью.
- обеспечение в одном из аспектов изобретения датчика газов, обладающего высокой чувствительностью измерения концентрации определенных газов или частиц в атмосфере, универсальными и гибкими механизмами селективности, контролируемым процессом регенерации сенсорной способности, простым, с точки зрения технической реализации, способом получения измеряемых сигналов и, соответственно, малыми размерами и уровнем потребления всего устройства.
Указанный технический результат достигается в наноэлектромеханической структуре, включающей: по меньшей мере один управляемый элемент, обладающий электрической проводимостью; по меньшей мере один входной электрод, находящийся в электрическом контакте с управляемым элементом; по меньшей мере один выходной электрод, пространственно отделенный от управляемого элемента, находящийся с ним в электростатической связи, где указанное пространственное отделение обеспечено при помощи либо изменения свойств части материала выходного электрода, где данное изменение вызвано локализованным химическим воздействием, опосредованным управляемым элементом, либо изменения свойств части материала управляемого элемента, где данное изменение вызвано локализованным химическим воздействием, опосредованным выходным электродом.
Управляемый элемент выполнен в виде упругого элемента, способного изменять свою геометрию.
Упругий элемент свободен совершать механические колебания на собственных частотах.
Дополнительно включает средства детектирования электрического сигнала, находящиеся в сигнальной связи с как минимум одним входным или выходным электродом, а упругий элемент способен переходить в стабильный или кратковременный механический контакт с как минимум одним выходным электродом, при этом средства детектирования электрического сигнала обеспечивают как минимум детектирование изменений электрического сигнала, связанных с данным стабильным или кратковременным механическим контактом.
Как минимум часть поверхности по меньшей мере одного выходного электрода покрыта изолирующим или проводящим слоем, так что данный изолирующий или проводящий слой предотвращает возможность непосредственного механического контакта между упругим элементом и данным выходным электродом.
Дополнительно включает средства подачи постоянного напряжения смещения между упругим элементом и выходным электродом или комбинацией выходных электродов, обеспечивающие контроль частоты резонансных механических колебаний упругого элемента или, в случае механического контакта упругого элемента с как минимум одним выходным электродом, контроль соотношения сил, прижимающих управляемый элемент к выходному электроду, и сил, стремящихся разорвать механический контакт управляемого элемента с выходным электродом.
Пространственное отделение упругого элемента и как минимум одного выходного электрода, или свойства поверхности упругого элемента и данного выходного электрода, или напряжение смещения, приложенное между упругим элементом и выходным электродом, или комбинацией выходных электродов, заданы таким образом, что обеспечивается либо стабильный, либо кратковременный механический контакт упругого элемента с данным выходным электродом.
Как минимум часть поверхности управляемого элемента химически или биологически функционализирована.
Упругие элементы сгруппированы в массивы упругих элементов; упругие элементы в каждом массиве имеют общие входные и выходные электроды; дополнительно включены средства адресации упругих элементов или подгрупп упругих элементов; каждому упругому элементу или подгруппе упругих элементов в массиве соответствует своя частота резонансных колебаний; средства адресации задают при помощи входных и выходных электродов массив упругих элементов, к которому относится адресуемый упругий элемент или адресуемая подгруппа упругих элементов, и задают частоту переменного напряжения смещения прикладываемого к комбинации входных и выходных электродов заданного массива упругих элементов, так что данная частота соответствует частоте резонансных колебаний адресуемого упругого элемента или подгруппы упругих элементов.
Каждый упругий элемент, находясь в состоянии механического контакта с по меньшей мере одним выходным электродом, свободен совершать механические колебания на собственной частоте, отличной от собственной частоты этого элемента, находящегося в состоянии отсутствия механического контакта, а средства адресации задают частоту переменного напряжения смещения, прикладываемого к комбинации входных и выходных электродов заданного массива упругих элементов, так что данная частота соответствует частоте резонансных колебаний адресуемого упругого элемента, находящегося в состоянии механического контакта, или так что данная частота соответствует частоте резонансных колебаний адресуемого упругого элемента, находящегося в состоянии отсутствия механического контакта.
Средства адресации задают напряжение смещения, прикладываемое к комбинации входных и выходных электродов заданного массива упругих элементов, так что данное напряжение смещения представляет собой суперпозицию переменных напряжений, частоты которых различны и частота каждого из которых соответствует частоте резонансных колебаний одного из упругих элементов.
Управляемый элемент представляет собой углеродную нанотрубку или углеродное нановолокно, или пучок углеродных нанотрубок или углеродных нановолокон.
В качестве материала, из которого выполнена как минимум часть выходного электрода, выбран материала на основе углерода.
Управляемый элемент представляет собой многослойную углеродную нанотрубку, как минимум один внешний слой которой удален при помощи воздействия, опосредованного выходным электродом.
Данный технический результат достигается в другом варианте наноэлектромеханической структуры, включающей: по меньшей мере один управляемый элемент, выполненный в виде упругого элемента, обладающего электрической проводимостью и свободного совершать механические колебания на собственных частотах; по меньшей мере один входной электрод, находящийся в электрическом контакте с упругим элементом; по меньшей один выходной электрод, пространственно отделенный от упругого элемента и находящийся с ним в электростатической связи; средства подачи напряжения смещения между комбинацией входных и выходных электродов; средства детектирования электрического сигнала, находящиеся в сигнальной связи с как минимум одним входным или выходным электродом, где средства подачи напряжения смещения обеспечивают возбуждение механических колебаний упругого элемента, причем амплитуда резонансных колебаний упругого элемента имеет величину, обеспечивающую переход упругого элемента в стабильный или кратковременный механический контакт с как минимум одним выходным электродом, а средства детектирования электрического сигнала обеспечивают по меньшей мере детектирование изменений электрического сигнала, связанных с данным стабильным или кратковременным механическим контактом.
Упругие элементы сгруппированы в массивы упругих элементов; упругие элементы в каждом массиве имеют общие входные и выходные электроды; дополнительно включены средства адресации упругих элементов или подгрупп упругих элементов; каждому упругому элементу или подгруппе упругих элементов в массиве соответствует своя частота резонансных колебаний; средства адресации задают при помощи входных и выходных электродов массив упругих элементов, к которому относится адресуемый упругий элемент или адресуемая подгруппа упругих элементов, и задают частоту переменного напряжения смещения, прикладываемого к комбинации входных и выходных электродов заданного массива упругих элементов, так что данная частота соответствует частоте резонансных колебаний адресуемого упругого элемента или подгруппы упругих элементов.
Каждый упругий элемент, находясь в состоянии механического контакта с по меньшей мере одним выходным электродом, свободен совершать механические колебания на собственной частоте, отличной от собственной частоты этого элемента, находящегося в состоянии отсутствия механического контакта, а средства адресации задают частоту переменного напряжения смещения, прикладываемого к комбинации входных и выходных электродов заданного массива упругих элементов, так что данная частота соответствует частоте резонансных колебаний адресуемого упругого элемента, находящегося в состоянии механического контакта, или так что данная частота соответствует частоте резонансных колебаний адресуемого упругого элемента, находящегося в состоянии отсутствия механического контакта.
Средства адресации задают напряжение смещения, прикладываемое к комбинации входных и выходных электродов заданного массива упругих элементов, так что данное напряжение смещение представляет собой суперпозицию переменных напряжений, частоты которых различны и частота каждого из которых соответствует частоте резонансных колебаний одного из упругих элементов.
Дополнительно включает как минимум одно из следующих средств: средства контроля скорости десорбции молекул газа с поверхности как минимум одного упругого элемента, которые содержат средства пропускания электрического тока через данный упругий элемент, или содержат внешний по отношению к данному упругому элементу нагреватель или источник электромагнитного излучения; средства определения соотношений между значениями сдвига частоты резонансных колебаний как минимум одного упругого элемента, где данный сдвиг связан с изменением величины проходящего через данный упругий элемент электрического тока или интенсивности нагрева или облучения данного упругого элемента внешним источником; средства измерения динамических или статических вольтамперных характеристик электрической цепи, включающей как минимум один входной электрод, один выходной электрод и один упругий элемент, или средства детектирования изменения данных вольтамперных характеристик или изменения гистерезиса данных вольтамперных характеристик; средства детектирования силы адгезии между как минимум одним упругим элементом и как минимум одним выходным электродом, детектирующие величину электрического потенциала, который необходимо приложить к данному упругому элементу и определенному выходному электроду или комбинации выходных электродов для разрыва контакта между данным упругим элементом и данным выходным электродом; средства детектирования порога эмиссии электронов как минимум одним упругим элементом или средства детектирования изменения данного порога эмиссии; средства детектирования сдвига частоты резонансных колебаний как минимум одного упругого элемента, где данный сдвиг обусловлен изменением сопротивления движению данного упругого элемента со стороны окружающей упругий элемент среды; средства, обеспечивающие преимущественный доступ газов заданных типов как минимум к одному упругому элементу, основанные на использовании материалов с селективной пропускной способностью.
Как минимум часть поверхности упругого элемента химически или биологически функционализирована.
Включает два или более упругих элемента, которые различаются по длине или по эффективному диаметру, или по структуре, или по параметрам фунционализации поверхности, и дополнительно средства определения соотношений между значениями сдвига частоты резонансных колебаний данных упругих элементов, где данный сдвиг обусловлен физической или химической сорбцией молекул или частиц данными упругими элементами.
Включает два или более упругих элемента, причем как минимум часть упругих элементов конструктивно защищена от экспонирования внешней средой, и дополнительно средства, определяющие сдвиг часты резонансных колебаний упругих элементов, конструктивно защищенных от экспонирования, обусловленный изменением температуры данных упругих элементов вследствие изменения температуры окружающей среды либо вследствие прохождения по ним электрического тока.
Упругий элемент представляет собой углеродную нанотрубку или углеродное нановолокно, или пучок углеродных нанотрубок или углеродных нановолокон.
Указанный выше технический результат достигается в способе получения наноэлектромеханической структуры, включающем: формирование по меньшей мере одного управляемого элемента, по меньшей мере одного входного электрода, находящегося в электрическом контакте с управляемым элементом, по меньшей мере одного выходного электрода, контактирующего с управляемым элементом; осуществление либо операции изменения свойств материала выходного электрода в области, локализованной у границы раздела выходной электрод - управляемый элемент, где данное изменение свойств вызвано локализованным химическим воздействием, опосредованным управляемым элементом, либо операции изменения свойств материала управляемого элемента в области, локализованной у границы раздела управляемый элемент - выходной электрод, где данное изменение свойств вызвано локализованным химическим воздействием, опосредованным выходным электродом.
В качестве управляемого элемента выступает углеродная нанотрубка, закрепленная на подложке в вертикальном положении; в качестве выходного электрода выступает слой материала на основе углерода; в качестве операции изменения свойств материала выходного электрода выступает операция локального анодного окисления, причем управляемый элемент выступает в качестве катода, а выходной электрод выступает в качестве анода, в результате чего достигается окисление выходного электрода в области, локализованной вокруг управляемого элемента.
В качестве управляемого элемента выступает многослойная углеродная нанотрубка, закрепленная на подложке в вертикальном положении; в качестве выходного электрода выступает слой химически инертного проводящего материала; в качестве операции изменения свойств материала управляемого элемента выступает операция локального анодного окисления, причем управляемый элемент выступает в качестве анода, а выходной электрод выступает в качестве катода, в результате чего достигается окисление как минимум одного внешнего слоя многослойной углеродной нанотрубки.
Упомянутый выше технический результат достигается в другом варианте способа получения наноэлектромеханической структуры, включающем: формирование по меньшей мере одного управляемого элемента, по меньшей мере одного входного электрода, находящегося в электрическом контакте с управляемым элементом, по меньшей мере одного выходного электрода, так что управляемый элемент представляет собой нанотрубку или нановолокно, на как минимум часть поверхности которой нанесен слой материала, отличающегося по свойствам как от материала нанотрубки или нановолокна, так и от материала выходного электрода; осуществление операции частичного или полного удаления слоя материала, нанесенного на поверхность нанотрубки или нановолокна и отличающегося по своим свойствам как от материала нанотрубки или нановолокна, так и от материала выходного электрода.
Управляемый элемент представляет собой углеродную нанотрубку, закрепленную на подложке в вертикальном положении, на как минимум часть поверхности которой нанесен молекулярный монослой, образованный в результате процесса самоорганизации; в качестве операции частичного или полного удаления данного молекулярного монослоя выступает операция селективного травления.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показано схематическое изображение варианта реализации наноэлектромеханической структуры; на фиг.2 - схематическое изображение варианта реализации наноэлектромеханической структуры для случая, соответствующего состоянию механического контакта упругого элемента с выходным электродом; на фиг.3 - схематическое изображение варианта реализации наноэлектромеханической структуры для случая, соответствующего покрытому изолирующим или проводящим слоем выходному электроду; на фиг.4 - схематическое изображение варианта реализации наноэлектромеханической структуры для случая, соответствующего наличию дополнительного электрода; на фиг.5 - схематическое изображение варианта реализации наноэлектромеханической структуры для случая, соответствующего множеству массивов упругих элементов; на фиг.6 - схематическое изображение промежуточного шага процесса формирования наноэлектромеханической структуры; на фиг.7 - схематическое изображение конечного шага процесса формирования структуры, соответствующей варианту реализации наноэлектромеханической структуры.
Наноэлектромеханическая структура включает по меньшей мере один управляемый элемент 2, обладающий электрической проводимостью, по меньшей мере один входной электрод 3, находящийся в электрическом контакте с управляемым элементом; по меньшей мере один выходной электрод 5, пространственно отделенный от управляемого элемента, находящийся с ним в электростатической связи, где указанное пространственное отделение обеспечено при помощи либо изменения свойств части материала выходного электрода 5, где данное изменение вызвано локализованным химическим воздействием, опосредованным управляемым элементом 2, либо изменения свойств части материала управляемого элемента 2, где данное изменение вызвано локализованным химическим воздействием, опосредованным выходным электродом 5.
Управляемый элемент 2 может быть выполнен в виде упругого элемента, способного изменять свою геометрию и свободного совершать механические колебания на собственных частотах.
Структура дополнительно может включать средства детектирования электрического сигнала, находящиеся в сигнальной связи с как минимум одним входным 3 или выходным 5 электродом, а упругий элемент 2 способен переходить в стабильный или кратковременный механический контакт с как минимум одним выходным электродом 5 (фиг.2), при этом средства детектирования электрического сигнала обеспечивают как минимум детектирование изменений электрического сигнала, связанных с данным стабильным или кратковременным механическим контактом.
Как минимум часть поверхности по меньшей мере одного выходного электрода 5 может быть покрыта изолирующим или проводящим слоем 6 (фиг.3), так что данный изолирующий или проводящий слой предотвращает возможность непосредственного механического контакта между упругим элементом 2 и данным выходным электродом 5.
Структура дополнительно может включать средства подачи постоянного напряжения смещения между упругим элементом 2 и выходным электродом 5 (или, например, выходным электродом 5 или 7 на фиг.4) или комбинацией выходных электродов, обеспечивающие контроль частоты резонансных механических колебаний упругого элемента 2 или, в случае механического контакта упругого элемента 2 с как минимум одним выходным электродом (5 на фиг.1 или 7 на фиг.2), контроль соотношения сил, прижимающих управляемый элемент к выходному электроду, и сил, стремящихся разорвать механический контакт управляемого элемента с выходным электродом.
В одном из вариантов реализации предлагаемого изобретения пространственное отделение упругого элемента 2 и как минимум одного выходного электрода 5 (фиг.1), или свойства поверхности упругого элемента и данного выходного электрода, или напряжение смещения, приложенное между упругим элементом и выходным электродом или комбинацией выходных электродов, заданы таким образом, что обеспечивается либо стабильный, либо кратковременный механический контакт упругого элемента с данным выходным электродом.
Как минимум часть поверхности управляемого элемента 2 может быть химически или биологически функционализирована.
В одном из вариантов реализации предлагаемого изобретения упругие элементы 2 (фиг.5) сгруппированы в массивы упругих элементов, упругие элементы в каждом массиве имеют общие входные 1 и выходные 4 электроды, дополнительно включены средства адресации упругих элементов или подгрупп упругих элементов, каждому упругому элементу или подгруппе упругих элементов в массиве соответствует своя частота резонансных колебаний, средства адресации задают при помощи входных и выходных электродов массив упругих элементов, к которому относится адресуемый упругий элемент или адресуемая подгруппа упругих элементов, и задают частоту переменного напряжения смещения, прикладываемого к комбинации входных и выходных электродов заданного массива упругих элементов, так что данная частота соответствует частоте резонансных колебаний адресуемого упругого элемента или подгруппы упругих элементов.
В одном из вариантов реализации предлагаемого изобретения каждый упругий элемент 2 (фиг.4), находясь в состоянии механического контакта с по меньшей мере одним выходным электродом 7, свободен совершать механические колебания на собственной частоте, отличной от собственной частоты этого элемента, находящегося в состоянии отсутствия механического контакта, а средства адресации задают частоту переменного напряжения смещения, прикладываемого к комбинации входных и выходных электродов заданного массива упругих элементов, так что данная частота соответствует частоте резонансных колебаний адресуемого упругого элемента, находящегося в состоянии механического контакта, или так что данная частота соответствует частоте резонансных колебаний адресуемого упругого элемента, находящегося в состоянии отсутствия механического контакта.
В одном из вариантов реализации предлагаемого изобретения средства адресации задают напряжение смещения, прикладываемое к комбинации входных 1 (фиг.5) и выходных 4 электродов заданного массива упругих элементов, так что данное напряжение смещения представляет собой суперпозицию переменных напряжений, частоты которых различны и частота каждого из которых соответствует частоте резонансных колебаний одного из упругих элементов.
В одном из вариантов реализации предлагаемого изобретения управляемый элемент 2 (фиг.1) включает как минимум одну нанотрубку или нановолокно. В качестве материала, из которого выполнена как минимум часть выходного электрода 5, выбран материала на основе углерода.
В одном из вариантов реализации предлагаемого изобретения управляемый элемент 2 представляет собой многослойную углеродную нанотрубку, как минимум один внешний слой которой удален при помощи воздействия, опосредованного выходным электродом 5.
В одном из вариантов реализации предлагаемого изобретения структура дополнительно включает как минимум одно из следующих средств: средства контроля скорости десо