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Los materiales de baja dimensión (LDM) han adquirido una importancia significativa en las cavidades de los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) debido a sus exóticas propiedades físicas, fotónicas y electrónicas, complementadas con relaciones superficie-volumen excepcionalmente altas y confinamiento cuántico.
Estudio: Nuevos materiales de baja dimensionalidad para resonadores en sistemas nanoelectromecánicos. Crédito: Ángel Soler Gollonet/Shutterstock.com
Un estudio reciente publicado en la revista Materials Research Letters proporciona una descripción detallada de las variables de fabricación, identificación, actuación, números de relevancia y moderación de los resonadores NEMS basados en materiales de baja dimensión.
La investigación describe los principios y avances de estos resonadores NEMS, así como aplicaciones prometedoras como sensores ópticos, nanoelectrónica y sistemas de detección cuántica..
¿Por qué son importantes los resonadores para los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS)?
Los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) tienen un enorme potencial para la detección bioquímica, la monitorización fisicoquímica y la radiación electromagnética debido a su notable eficacia con un consumo mínimo de energía. A diferencia de los sistemas microelectromecánicos (MEMS) convencionales, los NEMS contienen funciones eléctricas y mecánicas en el rango de nanómetros.
La notable influencia cuántica y los efectos de conectividad en los instrumentos NEMS están impulsando una cantidad cada vez mayor de investigación en física, ingeniería de materiales, dinámica estructural y química. En las últimas décadas, los resonadores NEMS adaptables han experimentado un aumento debido a los rápidos avances en los procesos metalúrgicos y las tecnologías de fabricación.
Aunque los resonadores NEMS tienen frecuencias de resonancia y factores de calidad satisfactorios, los estrictos requisitos de reducción de escala limitan su incorporación como unidades individuales para teléfonos inteligentes, dispositivos adaptables y sistemas inteligentes de próxima generación.
Materiales de baja dimensionalidad para resonadores NEMS
Materiales de baja dimensión (LDM), como Otras tecnologías, como los nanomateriales unidimensionales (1D) y la familia bidimensional (2D) de películas nanocristalinas, han transformado el diseño de ingeniería de los resonadores NEMS debido a sus diversas estructuras y su capacidad para operar en entornos hostiles.
Para obtener una viga colgante o una estructura de película para resonadores NEMS, los materiales de baja dimensión se someten a una serie de procesos de nanofabricación. Las propiedades materiales de los resonadores NEMS fabricados de esta manera pueden activarse en términos de señales electrónicas y fotónicas cuando se activan con luz externa, presión, campos electromagnéticos y corrientes magnéticas.
Hasta el momento, se han informado varias aplicaciones de resonadores NEMS basados en materiales de baja dimensión, incluidos detectores robóticos, actuadores biológicos, dispositivos nanoelectrónicos y sistemas cuánticos.
Aunque algunos estudios anteriores han descrito el avance de los resonadores NEMS, solo se han centrado en la detección NEMS basada en materiales 2D. Como resultado, es extremadamente necesaria una revisión de alto nivel de las cavidades NEMS, enfocada en el crecimiento de todo el sistema material de baja dimensión.
Aspectos destacados del estudio actual
En esta descripción general, los investigadores describieron los métodos de fabricación tradicionales, los procesos de trabajo, los parámetros físicos y las técnicas de detección de los resonadores NEMS y sus variables de control clave. También se discutieron los avances en la fabricación de resonadores NEMS a partir de varios materiales de baja dimensión y sus nanocompuestos.
Además, se analizó el impacto de variables críticas como el espesor de la película, las condiciones operativas y la arquitectura en la coincidencia de las frecuencias resonantes del resonador, los factores de calidad y la disipación de energía potencial.
Finalmente, los investigadores destacaron los obstáculos actuales y sugirieron algunos puntos de vista que podrían ayudar a abordar estos obstáculos y promover la aplicabilidad de materiales de baja dimensión en futuros resonadores NEMS versátiles e inteligentes.
Hallazgos clave de la revisión
Los resonadores NEMS pueden optimizar la frecuencia de funcionamiento y la respuesta con un consumo mínimo de energía debido a sus notables propiedades físicas y ópticas a nanoescala. Como resultado, los resonadores NEMS han surgido como candidatos viables para una amplia gama de aplicaciones estructurales, electrónicas y de imágenes de próxima generación.
Los ingredientes activos son el componente central de los resonadores NEMS. El requisito básico para un buen material activo es que resista ciertos desplazamientos mecánicos y tenga una alta economía para la integración del dispositivo.
Los materiales de baja dimensión han surgido como reemplazos tentadores para el silicio tradicional en los resonadores NEMS de próxima generación. Las ventajas de los materiales de baja dimensión para los resonadores NEMS incluyen una estructura de banda sintonizable, pruebas dieléctricas reducidas, alta tolerancia a la tensión y confiabilidad del material en el espectro de frecuencia ultra alta (UHF).
perspectiva del futuro
Los avances en los resonadores NEMS han logrado un nivel de éxito comercial sin precedentes en los últimos años, que van desde los mecanismos subyacentes hasta las aplicaciones industriales, atribuidos a las relaciones de colaboración de la ciencia de los materiales, la mecánica cuántica, la nanotecnología y la ingeniería.
La respuesta de frecuencia de los resonadores NEMS fabricados con materiales de baja dimensión ha alcanzado el umbral de los gigahercios (GHz) y se espera que alcance el rango de los terahercios (THz) debido a su densidad de masa increíblemente baja.
Sin embargo, la configuración del espacio de trabajo, las condiciones operativas, las configuraciones del sistema, los procesos de fabricación y los estándares operativos dependen en gran medida de estos dispositivos NEMS. Como resultado, el rendimiento clave varía de un dispositivo a otro, lo que dificulta enormemente la comercialización.
En este sentido, es crucial identificar obstáculos y desarrollar alternativas innovadoras y viables para avanzar en este campo pionero.
referencia
Ban, S. et al. (2022). Nuevos materiales de baja dimensionalidad para resonadores en sistemas nanoelectromecánicos. Cartas de investigación de materiales. Disponible en: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/21663831.2022.2111233
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