Un problème de longue date dans la conception de commutateurs électromécaniques à l'échelle nanométrique est la tendance des contacts métal sur métal à se coller les uns aux autres, verrouiller l'interrupteur en position « marche ». Farnaz Niroui, étudiant diplômé en génie électrique du MIT, a trouvé un moyen d'exploiter cette tendance à créer des électrodes avec des séparations nanométriques. En concevant un porte-à-faux qui peut s'effondrer et adhérer de façon permanente sur une structure de support pendant le processus de fabrication, Le procédé de Niroui laisse un espace nanométrique contrôlable entre le porte-à-faux et les électrodes voisines du point d'adhésion.

Niroui, qui travaille dans le laboratoire d'électronique organique et nanostructurée du professeur Vladimir Bulović (ONE Lab), a présenté ses découvertes les plus récentes le 20 janvier à la conférence IEEE Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) au Portugal. Les collaborateurs du MIT comprennent les professeurs Jeffrey Lang en génie électrique et Timothy M. Swager en chimie. Leur article s'intitule "Fabrication contrôlée de lacunes à l'échelle nanométrique à l'aide de la friction".

Stitch, comme on appelle l'adhérence permanente, est un défi très important dans les systèmes électromécaniques et entraîne souvent une défaillance de l'appareil. Niroui a tourné la friction à son avantage en utilisant une structure de support pour créer des espaces à l'échelle nanométrique. "Au départ, le porte-à-faux est fabriqué avec un espace relativement plus grand qui est plus facile à fabriquer, mais ensuite on module les forces d'adhérence surfaciques pour pouvoir provoquer un effondrement entre le porte-à-faux et le support. Comme le cantilever s'effondre, cet espace se réduit à une largeur beaucoup plus petite que le motif, " elle explique.

« Nous pouvons obtenir des écarts inférieurs à 10 nanomètres, " dit-elle. " C'est contrôlable car en choisissant le design du porte-à-faux, contrôler ses propriétés mécaniques et le placement des autres électrodes, nous pouvons obtenir des écarts de tailles différentes. Ceci est utile non seulement pour notre application, qui est dans le tunneling des commutateurs électromécaniques, mais aussi pour l'électronique moléculaire et les commutateurs électromécaniques à contacts. C'est une approche générale pour développer des lacunes à l'échelle nanométrique. »

Le dernier travail de Niroui s'appuie sur ses travaux antérieurs montrant la conception d'un interrupteur compressible - ou "squitch" - qui comble l'espace étroit entre les contacts avec une couche moléculaire organique qui peut être suffisamment compressée pour permettre au courant de passer en tunnel, ou flux, d'une électrode à l'autre sans contact direct – la position « on » – mais qui reviendra pour ouvrir un espace suffisamment large pour que le courant ne puisse pas circuler entre les électrodes – la position « off ». Plus le matériau de remplissage est doux, moins il faut de tension pour le comprimer. L'objectif est un commutateur de faible puissance avec un comportement de commutation brusque reproductible qui peut compléter ou remplacer les transistors conventionnels.

Niroui conçu, fabriqué, testé, et caractérisé le commutateur en porte-à-faux dans lequel une électrode est fixée et l'autre mobile avec l'espace de commutation rempli d'une couche moléculaire. Elle a présenté ses premières conclusions à la conférence IEEE MEMS à San Francisco l'année dernière dans un article intitulé, "Commutateurs à effet tunnel nanoélectromécaniques basés sur des couches moléculaires auto-assemblées." « Nous travaillons actuellement sur des conceptions alternatives pour obtenir des performances de commutation optimisées, " dit Niroui.

"Pour moi, l'un des aspects intéressants du projet est le fait que les appareils sont conçus dans de très petites dimensions, " Niroui ajoute, notant que l'espacement tunnel entre les électrodes n'est que de quelques nanomètres. Elle utilise la microscopie électronique à balayage au MIT Center for Materials Science and Engineering pour imager les structures d'électrodes recouvertes d'or et les nanogaps, tout en utilisant des mesures électriques pour vérifier l'effet de la présence des molécules dans l'intervalle de commutation.

Construisant son interrupteur à base de silicium/oxyde de silicium, Niroui a ajouté une couche supérieure de PMMA, un polymère sensible aux faisceaux d'électrons. Elle a ensuite utilisé la lithographie par faisceau d'électrons pour modeler la structure du dispositif et éliminer l'excès de PMMA. Elle a utilisé un évaporateur thermique pour revêtir la structure de l'interrupteur d'or. L'or était le matériau de choix car il permet aux molécules thiolées de s'auto-assembler dans l'interstice, l'étape d'assemblage final.

Pour la démonstration initiale du courant tunnel, Niroui a utilisé une molécule standard dans l'espace entre les électrodes. Les travaux se poursuivent avec les collaborateurs du laboratoire de chimie de Swager pour synthétiser de nouvelles molécules aux propriétés mécaniques optimales afin d'optimiser les performances de commutation.

"Notre projet utilise cette conception pour avoir deux électrodes métalliques avec une seule couche de molécules au milieu, " explique Niroui. " Nous utilisons l'auto-assemblage de molécules qui permet de fabriquer l'écart très petit. En choisissant la molécule et ses propriétés telles que la longueur moléculaire, on peut contrôler très précisément l'épaisseur de l'entrefer dans le régime de quelques nanomètres. La raison pour laquelle nous voulons que l'écart soit petit est qu'il nous permet de réduire la tension de commutation. Plus l'écart est petit, plus la tension de commutation est faible et moins vous allez consommer d'énergie pour allumer et éteindre votre appareil, ce qui est très souhaitable."

Les molécules qui remplissent le vide agissent comme de minuscules ressorts. Lorsqu'une force électrostatique est appliquée, les électrodes compriment la charge, écraser toutes les molécules. "Ces molécules vont empêcher les deux métaux d'entrer en contact. En même temps la couche comprimée va fournir une force de rappel, donc ça va éviter le problème de collage typique, adhérence permanente entre les deux électrodes, qui est par ailleurs très courant dans les systèmes électromécaniques, " elle dit.

Les commutateurs électromécaniques à effet tunnel fonctionnent en contrôlant l'écart entre deux électrodes métalliques qui n'entrent jamais en contact direct. "Vous aurez toujours un écart entre les deux électrodes. En raison de l'écart, le courant que vous modulez est le courant tunnel, " dit Niroui.

Niroui a testé une version de son appareil d'origine sans remplissage moléculaire et les deux électrodes se sont immédiatement collées l'une à l'autre. En comblant le vide, les tests courant-tension ont montré des caractéristiques reproductibles et répétables, donc les appareils n'ont pas court-circuité. « En comparant aux modèles théoriques, nous observons que nous obtenons une certaine compression des molécules, et nous extrayons les propriétés mécaniques des molécules qui correspondent à ce qui est rapporté expérimentalement dans la littérature, " dit-elle. Alors que l'appareil a établi la preuve de concept, des améliorations sont nécessaires dans le matériau de remplissage pour une utilisation pratique.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.