1  

Mems και Nems Νανοτεχνολογία & Βιοηλεκτρονική ΙΙ

ASME Micro/Nano-Systems Committee - MNS Photo Contest, µέρος του 3ου MNS Conference- San Diego California, 30 Αυγούστου- 2 Σεπτέµβρη, 2009 - Πρώτο βραβείο:

Τίτλος: MEMS Νανοεγχυτήρας για έγχυση ξένου DNA σε ζωντανά κύτταρα, του Quentin Aten, BYU,

Βούζιου Έβελυν icsd05006

Κανάκης Δηµήτρης icsd02024

Φεβρουάριος 2011

  2  

Πλοήγηση στην Εργασία

Τα µικροηλεκτροµηχανικά (Mems) και νανοηλεκτροµηχανικά (Nems) συστήµατα εντάσσονται αρχικά στο λειτουργικό πλαίσιο των ηλεκτροµηχανικών συστηµάτων για να δωθεί έµφαση και στη µηχανική λειτουργία τους. Η εισαγωγή ολοκληρώνεται µε την ιστορική αναδροµή. Ακολουθούν τα δύο βασικά κεφάλαια της εργασίας. Στο πρώτο που αφορά τα Μems αρχικά αναφέρονται τα υλικά από τα οποία κατασκευάζονται και στη συνέχεια οι µέθοδοι επεξεργασίας των υλικών. Αφιερώνεται µία παράγραφος στους παράγοντες αναξιοπιστίας των Μems, και τέλος δίνονται τα πλεονεκτήµατα και οι εφαρµογές τους στη βιοµηχανία. Στο κεφάλαιο των Νems καταρχάς παρουσιάζονται τα υλικά και οι τεχνικές επεξεργασίας τους. Στη συνέχεια αφιερώνεται µία παράγραφος στη σχέση των Νems µε τη κβαντική φυσική. Γίνεται λόγος για τις εφαρµογές των νανοσυσκευών στη βιοµηχανία και βιοιατρική. Ακολουθεί παράγραφος που περιγράφει τα αποτελέσµατα της προόδου της µικρογράφησης. Γίνεται αναφορά στο State of the Αrt της νανοηλεκτροµηχανικής, κι έπειτα αφιερώνεται µια παράγραφος στα ερωτήµατα και τις προκλήσεις του µέλλοντος. Στα τελευταία φύλλα της εργασίας παρατίθενται η περίληψη, η βιβλιογραφία και το γλωσσάρι που περιέχει τους ορισµούς που χρησιµοποιήθηκαν για την κατανόση του θέµατος κατά την εκπόνιση, και κρίθηκε σκόπιµο να ενσωµατωθούν στην εργασία.

  3  

Περιεχόµενα

Πλοήγηση στην εργασία ___________________________________________σελ 2

0.0 Ηλεκτροµηχανικά Συστήµατα_______________________________________4

0.1 Ιστορική Αναδροµή________________________________________________6

1.0 Mems υλικά______________________________________________________6

1.1 Mems κατασκευή- επεξεργασία______________________________________7

1.2 Αναξιοπιστία Μems- αποτυχίες δοµής και απόδοσης____________________8

1.3 Mems πλεονεκτήµατα και εφαρµογές_________________________________9

2.0 Nems υλικά και επεξεργασία________________________________________9

2.1 Nems και κβαντική φυσική________________________________________13

2.2 Nems- εφαρµογές_________________________________________________13

2.3 Nems –επιπτώσεις µικρογράφησης__________________________________14

2.4 Προκλήσεις_____________________________________________________15

Παράρτηµα:

Γλωσσάρι__________________________________________________________17

Περίληψη__________________________________________________________22

Βιβλιογραφία_______________________________________________________23

  4  

0.0 Ηλεκτροµηχανικά Συστήµατα

Τα ηλεκτροµηχανικά συστήµατα είναι πολύπλοκες συσκευές που σαν τελικό σκοπό έχουν τη µετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε µηχανικό έργο. Τα ηλεκτροµηχανικά συστήµατα χρησιµοποιούνται ευρεύως σε πολλές εφαρµογές από το ηλεκτρικό κουδούνι µέχρι τη βαριά βιοµηχανία όπου οι µηχανές ελέγχονται µε υψηλές απαιτήσεις σε ταχύτητα και αξιοπιστία.

Τα ηλεκτροµηχανικά συστήµατα χωρίζονται σε 3 κατηγορίες. Τα συµβατικά ηλεκτροµηχανικά συστήµατα, τα µικροηλεκτροµηχανικά συστήµατα (Mems) µεγέθους (<1mm, >1µm), και τα νανοηλεκτροµηχανικά συστήµατα (Nems) µεγέθους νανοµέτρων. Η συµπεριφορά των συστηµάτων που βρίσκονται στις 2 πρώτες κατηγορίες βασίζεται στην ηλεκτροµηχανική (κλασική µηχανική και ηλεκτροµαγνητισµός), ενώ η συµπεριφορά των νανοηλεκτροµηχανικών συστηµάτων και οι λειτουργικές παράµετροι των συσκευών αναλύονται µε βάση την κβαντική φυσική.

Αναπαραγωγή από τις διαφάνεις του Raj Nagarajan, Ph.D.Professor,Electronics and Advanced Technologies, Austin Community College

  5  

Τα µικρο-ηλεκτροµηχανικά (MEMS) και νάνο-ηλεκτροµηχανικά συστήµατα (NEMs) αποτελούν θεµελιώδη παράγοντα για την προσέγγιση, σχεδίαση και κατασκευή των σύγχρονων συσκευών και συστηµάτων. Χρησιµοποιώντας έναν συνδυασµό από µικροηλεκτρονικές διαδικασίες που έχουν αναπτυχθεί στη βιοµηχανία των ηµιαγωγών και τεχνικές µικροτεχνίας, δηµιουργούνται και λειτουργούν τα µηχανικά στοιχεία (αισθητήρες και ενεργοποιητές), και τα ηλεκτρονικά κυκλώµατα που απαιτούνται για τον έλεγχο των µικροσκοπικών συσκευών.

Τα MEMS συνδυάζουν ηλεκτρικές ιδιότητες µε µηχανικά δοµικά συστατικά σε κλίµακα µικροµέτρου. Με τον τρόπο αυτό παράγονται συσκευές που δε θα µπορούσαν να παραχθούν µε τη χρήση συµβατικών τεχνολογιών. Όσον αφορά τα NEMs, οι µοναδικές ιδιότητες τους και η συµπεριφορά της ύλης στην κλίµακα νανοµέτρου δεν έχουν ακόµη πλήρως κατανοηθεί και αξιοποιηθεί.

http://mems.sandia.gov/gallery/images_bugs_on_mems.html

Ενδεικτικά, για να αντιληφθεί κανείς το µέγεθος µίας µικροσυσκευής, αρκεί να διαπιστώσει τη σχέση µεγέθους µε ένα παράσιτο...

  6  

0.1 Ιστορική Αναδροµή

Ωρολογοποιοί ξεκίνησαν την τέχνη της µικροτεχνίας από τον 13ο αιώνα. Από την εφεύρεση του σύνθετου µικροσκοπίου το 1600 και τη µετέπειτα χρήση του για την παρατήρηση µικροβίων, φυτικών και ζωικών κυττάρων µέχρι τα σύγχρονα ηλεκτρονικά µικροσκόπια τα οποία επιτρέπουν την παρατήρηση σε µοριακό επίπεδο και ατοµική κλίµακα, και µε τη βοήθεια των οποίων µελετάται η ατοµική ισχύς, η επιστήµη και η τεχνολογία αφορούν όλο και µικρότερη κλίµακα.

Τέλος του 1950 ο Richard Feynman πρόσφερε $1000 ως πρόκληση σε όποιο θα κατάφερνε να δηµιουργήσει µια ηλεκτρική µηχανή µικρότερη από 1/64ο µιας ίντσας. Ο McLellan, µετά από χρονοβόρες προσπάθειες, χρησιµοποιώντας τσιµπιδάκια και µικροσκόπιο το κατάφερε. Ο Richard Feynman λοιπόν, βραβευµένος µε Νόµπελ φυσικός, θεωρείτε ο πατέρας των Μems και Nems, µε βάση την εµπνευσµένη οµιλία του “There is Plenty of Room at the Bottom”, το 1959, στην οποία δήλωσε πως χάρει στις τεχνικές σµίκρυνσης θα µπορούσε κάποια στιγµή να γραφτεί µια ολόκληρη εγκυκλοπαίδεια Brittanica στο κεφάλι µίας καρφίτσας. Σηµείωσε επίσης ότι νέες εφαρµογές θα προκύψουν γιατί οι ιδιότητες των υλικών σε ατοµική κλίµακα είναι πολύ διαφορετικές από αυτές σε συµβατική κλίµακα. Παρά τις αµφιβολίες του για τη χρησιµότητα των µικρο- και νανο-ηλεκτρικών συσκευών, αυτές βρήκαν µεγάλες εφαρµογές στη βιοµηχανία µε αξία στη διεθνή αγορά που µπορεί να φτάνει τα δισεκατοµµύρια δολάρια.

Η µικροηλεκτροµηχανική, (MEMS), ξεκίνησε να αναπτύσσεται συστηµατικά µετά το 1980 και εξακολουθεί να αναπτύσσεται µε τεράστια πρόοδο. Επίτευγµα σταθµός ήταν η σµίκρυνση των σύγχρονων τρανζίστορ, η οποία επέτρεψε την ανάπτυξη ολοένα µικρότερων και ισχυρότερων συσκευών και µηχανηµάτων. Τα τρανζίστορ στα σύγχρονα ολοκληρωµένα κυκλώµατα έχουν µέγεθος 0,18 micron στη βιοµηχανία και προσεγγίζουν τα 10 νανόµετρα στα ερευνητικά εργαστήρια.

Σήµερα η τεχνολογία των ηµιαγωγών στοχεύει στην κλίµακα των 45 νανοµέτρων για συσκευές κυκλωµάτων, δηλαδή κλίµακα αρκετές χιλιάδες φορές µικρότερη από τη διάµετρο της ανθρώπινης τρίχας.

1.0 Mems υλικά

Τα mems παραδοσιακά δηµιουργούνται από πυρίτιο (σιλικόνη) και υλικά µε βάση τo πυρίτιο, αν και έχουν ανακαλυφθεί υλικά όπως το διοξείδιο του πυριτίου, το νιτρίδιο του πυριτίου, SOI (silicon insulators), αρσενικούχο γάλλιο, χαλαζίας, το γυαλί, και διαµάντι. Στη βιοµηχανία τα πιο διαδεδοµένα υλικά είναι το πυρίτιο, πολυπυρίτιο, και άµορφο πυρίτιο.

Στα Mems που η επεξεργασία τους έχει ως βάση το πυρίτιο χρησιµοποιούνται πολλά από τα χαρακτηριστικά της επεξεργασίας των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων και τεχνικές µικροµηχανικής. Το πυρίτιο είναι οικονοµικό και άρα διαδεδοµένο σε εµπορικές- βιοµηχανικές εφαρµογές κυρίως λόγω της αφθονίας και προσαρµοστικότητας του.

  7  

Η µελέτη της κρυσταλλικής δοµής που επηρεάζει την ηλεκτρική, µηχανική και οπτική ιδιοτήτα των υλικών ονοµάζεται κρυσταλλογραφία. Οι κρυσταλλικές δοµές του Miller επηρέασαν τον τρόπο χάραξης. Η υγρή χάραξη των κρυστάλλων πυριτίου επιτρέπουν τη δηµιουργία µικρο-καναλιών, και διαµορφώνουν τα σηµεία ευθυγράµµισης των µικροσυσκευών.

Υπάρχουν διαφορετικές µορφές του πυριτίου:

Άµορφη: χωρίς προβλεπόµενη µεγάλη ατοµική κλίµακα

Πολυκρυσταλλική: στερεάς µορφής αφού αποτελείται από πολλούς µικρούς ενωµένους κρυστάλλους

Κρυσταλλική: µε πολύ µεγάλη ατοµική κλίµακα, πολύ λίγα ελαττώµατα, µικρή διαφορά στη διάταξη των ατόµων, καλά ορισµένη ζώνη χάσµατος, µε απότοµη µετάβαση από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιµότητας

1.1 Mems κατασκευή- επεξεργασία

Για την κατασκευή των µικροηλεκτροµηχανικών συσκευών απαιτούνται διεργασίες µικροηλεκτρονικής και µικροµηχανικής. Οι εργασίες που απαιτούνται για την κατασκευή και επεξεργασία των Mems είναι αρχικά ο ορισµός και η σχεδίαση του προτύπου και στην συνέχεια η απόθεση και αφαίρεση του ανεπιθύµητου υλικού.

Για την ηλεκτρονική λειτουργία των µικροσυσκευών, για την παραγωγή πηγαδιών και καναλιών σε προετοιµασµένο υπόστρωµα χρησιµοποιούνται τεχνικές µικροµηχανικής όπως η επιλεκτική χαρακτική. Ισχύει δηλαδή ότι ισχύει για τις διεργασίες κατασκευής ολοκληρωµένων κυκλωµάτων. Δηλαδή, αναπτύσσεται ο κρύσταλλος του υποβάθρου µε επίταξη, οξείδωση, φωτολιθογραφία και χηµική χάραξη. Ακολουθούν η διάχυση προσµίξεων, εµφύτευση ιόντων και επιµετάλλωση.

Για την κατασκευή των περισσότερων µικροσυσκευών χρησιµοποιούνται top-down τεχνικές χαρακτικής σε υπόστρωµα πυριτίου για να δηµιουργηθούν τα τρισδιάστατα µέρη των MEMS. Χρησιµοποιούνται διαφορετικές κρυσταλλογραφικές συνιστώσες σε διαφορετικές κλίµακες. Αυτό βοηθάει στο να γίνουν αυλάκια, πυραµίδες και τα κατάλληλα κανάλια για την παραγωγή µικροαισθητήρων και επιταχυνσιοµέτρων. Οι συνήθεις τεχνικές είναι: διαδικασία µικροµηχανικής επιφάνειας, διαδικασία LIGA και διαδικασία SUMMIT. Οι δοµές διαµορφώνονται χρησιµοποιώντας ισότροπη χαρακτική είτε προσανατολισµένη είτε µη προσανατολισµένη(KOH & DRIE).

Στη διαδικασία µικροµηχανικής επιφάνειας χτίζονται µικροδοµές µε την προσθήκη υλικών το ένα πάνω από το άλλο, πάνω σε υπόστρωµα πυριτίου. Από την επιλεκτική αφαίρεση του αζώτου σε SiO2, κάθε στρώµα αποκτά την επιθυµητή δοµή.

Στη διαδικασία LIGA (γερµανικό αρκτικόλεξο για λιθογραφικές εργασίες -ηλεκτρόλυση - χύτευση) χρησιµοποιείται ακτινοβολία (αρχικά ακτίνες Χ), στις βαθιές δοµές χαρακτικής. Για τη διαδικασία είναι απαραίτητη µια πηγή φωτός συγχρότρου. Αυτή η διαδικασία είναι σηµαντική για τη δηµιουργία µεγαλύτερων σε ύψος δοµών.

  8  

Η διαδικασία SUMMIT που αναπτύχθηκε από τη Sandia είναι µια πιο περίπλοκη διαδικασία που απαιτεί πέντε βήµατα συγκάλυψης. Πρόκειται για µια τεχνική µικροµηχανικής επεξεργασίας επιφάνειας πολυκρυσταλλικού πυριτίου που απαιτεί πέντε στρώµατα: ένα επίπεδο γείωσης / - στρώµα ηλεκτρικής διασύνδεσης και τέσσερα µηχανικά στρώµατα.

Τα στάδια που έχουν περιγραφεί µέχρι αυτό το σηµείο αφορούν τα ηλεκτρονικά κυκλώµατα που αποτελούν τη βάση των Mems. Για το µηχανικό κοµµάτι τους, µε τεχνικές συσκευασίας (packaging), απαιτείται η τοποθέτηση του chip σε module, στη συνέχεια η τοποθέτηση των modules σε κάρτα, η τοποθέτηση των καρτών στην πλακέτα και η ενσωµάτωση της πλακέτας στο σύστηµα. Ανάλογα µε το είδος της συσκευής διαµορφώνεται και το µηχανικό κοµµάτι το οποίο σε χρηστικές συσκευές για να οριστεί ως µικροηλεκτροµηχανική συσκευή έχει τουλάχιστον ένα κινούµενο µέρος.

1.2 Αξιοπιστία: αποτυχίες δοµής και απόδοσης

Κρίσιµος παράγοντας για τη λειτουργία των mems είναι η αξιοπιστία τους. Δηλαδή, το αν τα mems θα έχουν την επιθυµητή απόδοση καθόλο τον κύκλο ζωής τους. Όπως µε όλες τις ηλεκτροµηχανικές συσκευές εκτός από τη λογική σχεδίαση απαιτείται και η αξιόπιστη δοκιµή των µικροσυσκευών. Η πιθανή αναξιοπιστία των mems εξαρτάται από 2 παράγοντες, τις αποτυχίες δοµής και τις αποτυχίες απόδοσης.

Οι συνηθέστεροι λόγοι αναξιοπιστίας είναι: η αναντιστοιχία των συντελεστών θερµικής διαστολής µεταξύ των συνηµµένων υλικών, η καταπόνηση των δοµών και υλικών λόγω θερµικών και µηχανικών δονήσεων, η µείωση της αντοχής των υλικών λόγω φυσικών επιπτώσεων όπως η θερµότητα και η υγρασία του περιβάλλοντος, οι εγγενείς πιέσεις και οι πιέσεις που προκαλούνται από τις διαδικασίες κατασκευής, και οι δυσλειτουργία των chip λόγω υπερθέρµανσης.

H αναξιοπιστία των µικροµηχανικών συσκευών κρίνεται ακόµα πιο περίπλοκη από την αναξιοπιστία των µικροηλεκτρονικών διατάξεων γιατί οι παράγοντες αναξιοπιστίας δεν αφορούν µόνο τα χαρακτηριστικά της µικροηλεκτρονικής δοµής. Παράγοντας βασικός που ενισχύει την πιθανή αναξιοπιστία των µικροσυστηµάτων ειναι η αλληλεπίδραση µε διάφορες ουσίες (π.χ., φωτεινές ακτίνες, διαλυτικά χηµικά και βιολογικά υγρά) σε διάφορεςπεριβαλλοντικές συνθήκες (θερµοκρασία και πίεση). Επιπλέον, όπως ισχύει και για τις περισσότερες συσκευές, πολλές µικροσυσκευές παραµένουν σφραγισµένες και ανενεργές και αναµένεται να τεθούν σε λειτουργία είναι άµεσα είτε µακροπρόθεσµα. Ακόµη, µερικές αποτυχίες των µικροσυστηµάτων είναι αδύνατο να προβλεφθούν και να αποτραπούν όπως: η καταστροφή των ευαίσθητων στοιχείων σε διακόπτες µικροοπτικής, µέσα σε σφραγισµένες πλαστικές συσκευασίες, που προκαλλούνται από την αργή απελευθέρωση της υγρασίας- εξαέρωση των πλαστικών υλικών σφραγισµού. Για κάθε πρϊόν πρέπει να αναπτύσσονται νέες διαδικασίες δοκιµών καθώς δεν υπάρχουν πλήρως ασφαλή πρότυπα δοκιµών συνολικά των µικροσυσκευών, κάτι που δεν ισχύει για τα µικροηλεκτρονικά κυκλώµατα.

  9  

1.3 Mems πλεονεκτήµατα και εφαρµογές

Στα πλεονεκτήµατα των Mems συγκαταλέγονται το πολύ µικρό µέγεθός τους, η υψηλή ευαισθησία, ο χαµηλός θόρυβος, το χαµηλό κόστος, και η δυνατότητα µαζικής επεξεργασίας.

Τα MEMs υπόσχονται να αναµορφώσουν σχεδόν κάθε κατηγορία προιόντων µε τη γεφύρωση της συµβατικής βασισµένη στο πυρίτιο µικροηλεκτρονικής και των τεχνικών ανάπτυξης νέων µίκρο- & νάνο- δοµών, καθιστώντας εφικτή την πραγµατοποίηση πλήρους συστήµατος «-on-a-chip». Τα MEMs έχουν ήδη σηµαντική επίδραση στην καθηµερινή ζωή, συγκρίσιµη µε αυτή της τεχνολογίας των Ηµιαγωγών, της Πληροφορικής και της Μοριακής Βιολογίας. Χρησιµοποιούνται σε µηχανικές, χηµικές και βιοιατρικές εφαρµογές και στην Πληροφορική/Επικοινωνίες και ακολουθώντας τις τάσεις σµίκρυνσης αναµένεται να κυριαρχήσουν στους τοµείς των νανοηλεκτρονικών και µοριακών ηλεκτρονικών. Η βιοµηχανία των MEMs εκτιµήθηκε σε ~15 δις Euro για το 2000 και µε ετήσιο ρυθµό αύξησης 10-20%, αναµένεται να ξεπεράσει τα 100 δις Euro στο τέλος της δεκαετίας. Τα MEMs αποτελούν το επόµενο βήµα της ‘Επανάστασης του Πυριτίου’. Ενδεικτικά µερικές από τις εφαρµογές τους είναι σε µέσα µεταφοράς, τηλεπικοινωνίες, βιολογία και υγειονοµική περίθαλψη. Πιο συγκεκριµένα λειτουργούν ως αισθητήρες πίεσης, µετρητές εντάσεων, επιταχυνσιόµετρα, γυροσκόπια, σε οπτικές συσκευές ανάγνωσης κωδίκων, οπτικές ίνες, οθόνες προβολής (Digital Light Processors), κάτοπτρα παραµόρφωσης, για την αποφυγή αλλοιώσεων στην επιφάνεια σκληρών δίσκων µετά από πτώση, στο i-Phone για την περιστροφή της οθόνης. Υποστηρίζουν το bar-coding στα διόδια και είναι το κύριο εργαλείο στην αποθήκευση δεδοµένων.

Στη βιολογία και υγειονοµική περίθαλψη υποστηρίζουν: βιοϊατρικά όργανα, εµφυτεύµατα, και χορήγηση φαρµάκων. Χρησιµοποιούνται επίσης για λιγότερο παρεµβατικές χειρουργικές επεµβάσεις, παρακολούθηση γλυκόζης σε διαβητικούς σε πραγµατικό χρόνο, ανίχνευση µάζας ενός µόνο σωµατιδίου ιού.

2.0 Nems υλικά και επεξεργασία

Ένα νανόµετρο είναι ένα δισεκατοµµυριοστό του µέτρου. Η διάµετρος της ανθρώπινης τρίχας είναι περίπου 100.000 νανόµετρα. Ένα ερυθρό αιµοσφαίριο είναι περίπου 10.000 νανόµετρα. Η νανοτεχνολογία είναι η χειραγώγηση της ύλης σε νανοµετρική (10-9m) κλίµακα.

Περιλαµβάνει τον έλεγχο των µορίων σε ατοµικό επίπεδο για τη δηµιουργία υλικών µε µοναδικές ιδιότητες. Η µηχανική αντοχή των ηλεκτρονικών και οπτικών ιδιοτήτων πολλών υλικών µπορεί να αλλάξει σε αυτήν την κλίµακα. Ο άνθρακας, ο οποίος βρίσκεται στην ίδια στήλη του περιοδικού πίνακα µε το πυρίτιο, αποτελεί σηµαντικό στοιχείο στον τοµέα της νανοτεχνολογίας. Ο άνθρακας χρησιµοποιείται για τη διαµόρφωση σταθερών και ισχυρών οµοιοπολικών δεσµών. Σε µικρές αλυσίδες έχει τις ιδιότητες των αερίων, σε µεσαίες αλυσίδες ιδιότητες των

  10  

υγρών, και σε µεγάλες αλυσίδες µπορεί να είναι ένα στερεό όπως το πλαστικό. Τα άτοµα άνθρακα σε διάταξη διαµαντιού έχουν δοµή πλέγµατος.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι οµόκεντροι κύλινδροι άνθρακα κλειστοί σε κάθε άκρο µε πενταµελείς δακτυλίους. Οι νανοσωλήνες µπορεί να είναι πολυφλοιϊκοί (πολλαπλά τοιχώµατα) µε ένα κεντρικό σωλήνα να περιβάλλεται από ένα ή περισσότερα στρώµατα γραφίτη ή µονοφλοιϊκοί όπου υπάρχει µόνο ένας σωλήνας και καθόλου επιπλέον στρώµατα γραφίτη. Όταν νανοσωλήνες οµαδοποιούνται έχουµε τις λεγόµενες συστοιχίες νανοσωλήνων. Οι νανοσωλήνες άνθρακα έχουν πολύ υψηλή αντοχή σε εφελκυσµό - 100 φορές µεγαλύτερη από το ατσάλι. Είναι ελαστικοί, πολύ ελαφρείς, και παρουσιάζουν εξαιρετικά µεγάλη θερµική αγωγιµότητα (10 φορές µεγαλύτερη από το ασήµι). Έχουν µεταλλικές και ηµιαγώγηµες ηλεκτρονικές συµπεριφορές οι οποίες κάθε φορά εξαρτώνται από την ατοµική διάταξη. Η δοµική πυκνότητα του άνθρακα στα ολοκληρωµένα κυκλώµατα µε άνθρακα υπερβαίνει την πυκνότητα των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων που αναπτύσσονται µε τη χρήση συµβατικών τεχνολογιών (µε πυρίτιο) περίπου 1000 φορές.

http://sites-test.uclouvain.be/pcpm/themes/Chemistry_files/image002.jpg&imgrefurl

  11  

Δεδοµένου ότι το µέγεθος των δοµών µειώνεται, η ύλη στη νανοκλίµακα συµπεριφέρεται µε τελείως διαφορετικό τρόπο, τα σωµατίδια έχουν κυµατική συµπεριφορά, µε αποτέλεσµα διαφορετικά ηλεκτρικά και δοµικά χαρακτηριστικά, λόγω των κβαντικών φαινοµένων και του περιορισµού των ηλεκτρονίων και οπών σε αυτές τις µικρές διαστάσεις. Το πλήθος των κατευθύνσεων χωρίς περιοριµό χρησιµοποιείται ως κριτήριο για να ταξινοµηθούν οι δοµές: 2 διαστάσεων κβαντικό film, µονοδιάστατο κβαντικό σύρµα, και µηδενικής διάστασης κβαντική τελεία.

Οι κβαντικές τελείες είναι ιδιαίτερα σηµαντικές σε διαταξεις και εφαρµογές οπτοηλεκτρονικής. Ηλεκτρονικά συµπεριφέρονται ως µονοηλεκτρονιακά ρανζίστορ και παρουσιάζουν το φαινόµενο αποκλεισµού του Coulomb.

Τα νανοσύρµατα χρησιµοποιούνται για τη σύνδεση µικροσκοπικών µερών, συµπεριλαµβανοµένων των χηµικών ενώσεων, σε πολύ µικρά κυκλώµατα. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι κβαντοσυρµάτων: µεταλλικά (π.χ., Ni, Pt, Au), ηµιαγωγού (π.χ., Si, INP, GaN, κλπ.), και µονωτικά (SiO2,TiO2). Επαναλαµβανόµενες οργανικές (π.χ. DNA) ή ανόργανες (π.χ. Mo6S9-XIX) µονάδες αποτελούν τα µοριακά νανοσύρµατα. Ανάλογα µε τη σύνθεση του υλικού, υπάρχουν πολλές διαθέσιµες µέθοδοι για τη δηµιουργία νανοσυρµάτων, η πιο συνηθισµένη είναι η µέθοδος VLS (Ατµού-υγρού-στερεού -Vapor-Liquid-Solid).

Για την κατασκευή των νανοδοµών χρησιµοποιούνται 3 είδη τεχνικών: η ηλεκτροστατική χειραγώγηση, η λιθογραφία δέσµης ηλεκτρονίων και η αυτοσυγκρότηση:

Ηλεκτροστατική χειραγώγησης – Με το Scanning Tunnel Microscope (STM) τα άτοµα σέρνονται πάνω από µια επιφάνεια, ώστε να προχωρήσουν σε µια επιθυµητή ρύθµιση µε ηλεκτροστατικές δυνάµεις. Η ανάλυση προχωρά στο µέγεθος ενός µεµονωµένου ατόµου, αλλά η διαδικασία είναι εξαιρετικά χρονοβόρα και απαιτεί ειδικές συνθήκες για να αποτραπεί η µετακίνηση των ατόµων από την επιθυµητή θέση. Με ηλεκτροστατική χειραγώγήση µπορεί επίσης να αποτυπωθεί νανοδοµή σε χηµικά φορτισµένη δέσµη ηλεκτρονίων.

Στη λιθογραφία δέσµης ηλεκτρονίων αρχικά δηµιουργείται ένα πρότυπο υπόστρωµα. Μια ανθεκτική ταινία, όπως το πολυµεθαλικό µεθακρυλικό (PMMA) απλώνεται στην επιφάνεια, το οποίο εκτίθεται χρησιµοποιώντας ένα λιθογραφικό εργαλείο, όπως η λιθογραφία µε δέσµη ηλεκτρονίων, και αναπτύσσεται σε ένα διάλυµα µεθανόλης για το σχηµατισµό του προτύπου. Το ανθεκτικό υπόστρωµα µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την τυποποίηση νανοδοµής χρησιµοποιώντας είτε lift‐off, είτε επιµετάλλωση µε e.

Σε µία πορεία lift‐off µετά την εναπόθεση µιας σιδηροµαγνητικής µεταλλικής ταινίας σε ολόκληρο το δείγµα, το δείγµα βυθίζεται σε ασετόν (ακετόνη), το οποίο διαλύει το επικάλυµµα PMMA και ανεβάζει µόνο το µέταλλο που βρίσκεται στη επιφάνεια του PMMA, αλλά όχι το µέταλλο πάνω στο υπόστρωµα. Σε µία πορεία επιµετάλλωσης µε ηλεκτόνια, µια λεπτή µεταλλική επικάλυψη τοποθετείται σαν βάση µεταξύ PMMA και υποστρώµατος, και το επίστρωµα του PMMA αφαιρείται µετά την επιµετάλλωση. Η διαδικασία αυτή εφαρµόζεται για την κατασκευή βιοαισθητήρων.

  12  

Η αυτοσυγκρότηση µορίων αποτελεί προσφιλή µηχανισµό της νανοκλίµακας γιατί στηρίζεται σε φυσικές δυνάµεις για να δηµιουργεί συγκροτήµατα. Όπως σχηµατίζονται οι νιφάδες χιονιού, οι κρύσταλλοι αλατιού και οι σαπουνόφουσκες, µε παρόµοιο τρόπο γίνεται και η αυτοσυγκρότηση της νανοδοµής. Αρκεί µόνο ο έλεγχος των περιβαλλοντικών συνθηκών ώστε να δηµιουργηθεί ένα πολύ αποδοτικό αναπαραγωγικό σύστηµα αυτοσυγκρότησης.

Υπάρχουν πολλών ειδών φυσικές πορείες που καταφέρνουν να διαµορφώσουν διατεταγµένες νανοδοµές. Οι βασικές είναι: η ανάπτυξη µε πυρήνες και οι βηµατικές µέθοδοι αναπαραγωγής. Στην τεχνική ανάπτυξης µε πυρήνες ένα υπόστρωµα µε µια παράταξη από νανοδοµές βυθίζεται σε µια ηλεκτρολυτική επιµεταλλωµένη διαδροµή που περιλαµβάνει µαγνητικά ιόντα. Η υπάρχουσα παράταξη συµπεριφέρεται σαν σπόρος για την ανάπτυξη µαγνητικών ατόµων, τα οποία µε την πάροδο λίγου χρόνου καλύπτουν τους κόκκους‐σωµατίδια. Μια δεύτερη προσέγγιση είναι η χρήση των νανοδοµηµένων παρατάξεων σαν υποστρώµατα για εναπόθεση µαγνητικών υλικών σε πλάγια πρόσπτωση καθώς γυρνάει το υπόστρωµα. Το µαγνητικό υλικό αναπτύσσεται τότε επιλεκτικά σαν νανοδοµή του κόκκου, σχηµατίζοντας έτσι παρατάξεις νανοδοµών. Στις βηµατικές µεθόδους αναπαραγωγής το βασικό πλάνο είναι η δηµιουργία σειρών ή βηµάτων στο υπόστρωµα, είτε ακτίνες‐Χ, µε λιθογραφία αλληλεπίδρασης και χαρακτικής ή µε laser. Με αποτέλεσµα, το υλικό να αυξάνεται στο υπόστρωµα και να παράγονται αποµονωµένα πρότυπα από υλικό στις πεδιάδες και στα πλατώ του υποστρώµατος.

Για το νανοηλεκτροµηχανικό κοµµάτι:

Στις νανοσυσκευές ενσωµατώνονται ηλεκτρονικά και µηχανικά στοιχεία στο ίδιο chip. Αποτελούνται από µια νανοµηχανική δοµή και έναν ηλεκτρικό µετατροπέα ανάλογων διαστάσεων. Η νανοµηχανική δοµή µπορεί να είναι ένας πρόβολος (δηλ. ράβδος στερεωµένη στο ένα άκρο) µια γέφυρα, ένας στροφέας κτλ.,µε συγκεκριµένη συχνότητα συντονισµού. Ο ηλεκτρονικός µετατροπέας είναι ένα µονοηλεκτρονιακό transistor, µια κβαντική κουκκίδα Q.D από ηµιαγώγιµο υλικό κτλ.

Ιδιότητες

Μειώνοντας το µέγεθος του συστήµατος και διατηρώντας τη δοµή του, η γωνιακή συχνότητα αυξάνεται. Μια υψηλή συχνότητα µεταφράζεται σε ένα µικρό χρόνο απόκρισης στις εφαρµοζόµενες δυνάµεις(σε απλές δοµές).

Στα συστήµατα υψηλής ποιότητας (στα συστήµατα µε µεγάλο παράγοντα ποιότητας Q) παρουσιάζεται µεγάλη ευαισθησία στους εξωτερικούς µηχανισµούς απόσβεσης και θερµοδυναµικός θόρυβος ~1/Q,. Καταστέλλονται οι τυχαίες µηχανικές διακυµάνσεις.

  13  

2.1 Nems και κβαντική φυσική

Καθώς η ραγδαία πρόοδος στη σµίκρυνση των ηµιαγωγών οδηγεί προς µεγέθη των chip µικρότερα ~100nm, οι µηχανικοί και οι φυσικοί βρίσκονται αντιµέτωποι µε την παρουσία της κβαντοµηχανικής, η οποία στην κλίµακα αυτή αναδεικνύει την κυµατική συµπεριφορά των σωµατιδίων ως κυρίαρχη συµπεριφορά.

Κβαντικά Φαινόµενα είναι πλέον διακριτά στο εργαστήριο. Βασικό κβαντικό φαινόµενο, το φαινόµενο Casimir: Έχει ανιχνευθεί η ελκτική δύναµη Casimir, τάξης ~pN µέσω της κίνησης που προκαλεί στη µηχανική δοµή. Οι θερµικές και οι κβαντικές ενδογενείς διακυµάνσεις οριοθετούν την ευαισθησία του ανιχνευτή. Τα κβαντικά όρια σε µια µηχανική δοµή, εξαρτώνται από την ιδιοσυχνότητα ω και τη θερµοκρασία Τ της συσκευής.

Ο Vladimir Braginsky και ο Farid Khalili(1992) προέβλεψαν στο βιβλίο τους για κβαντικές µετρήσεις ότι θα υπάρχει µια εποχή όπου η κβαντική θεωρία θα έχει κεντρικό ρόλο στην εµπορική βιοµηχανία, σήµερα, πλησιάζουµε αυτή την εποχή όπου οι µηχανικοί θα συµπεριλάβουν ανάµεσα στις σταθερές τους τη σταθερά του Plank, h.

2.2 Nems- εφαρµογές

Χαρακτηριστικό παράδειγµα εφαρµογής των νανοηλεκτροµηχανικών συσκευών αποτελούν οι αισθητήρες που χρησιµοποιούνται για την ανίχνευση κυττάρου Εσερίχιας Κόλη ή την ανίχνευση ενός ενιαίου σκέλους του DNA. Το ατοµικό µικροσκόπιο που χρησιµοποιείται σε αυτή την τεχνική έχει µια άκρη από πυρίτιο και η τεχνική που εφαρµόζεται είναι µια τυπική διαδικασία κατασκευής MEMS, δηλαδή σε διαστάσεις µικροµέτρου.

Ενδεικτικά, οι νανοσυσκευές έχουν εφαρµογή στην αποθήκευση υπολογιστικής µνήµης. (Σκληροί δίσκοι, Millipede chip της IBM και νανοτσίπ).

Οι νανοσυσκευές έχουν ποικίλες εφαρµογές στη βιοϊατρική. Στη διαγνωστική, µε nems δίνεται η δυνατότητα, να ανιχνευθούν πρωτεϊνες σε µοριακή κλίµακα, και έτσι γίνεται ανίχνευση και ταυτοποίηση µέχρι και ξεχωριστών µορίων από ένα δείγµα µίγµατος σωµατικών υγρών. Για την ex-vivo ανάλυση των βιολογικών δειγµάτων χρησιµοποιούνται διάφορες µέθοδοι φασµατοσκοπίας και µικροσκοπίας (π.χ. imaging mass spectroscopy, scanning probe microscopy), που ανοίγουν νέες προοπτικές για τη µοριακή παθολογία και τα υψηλής ευαισθησίας biochips. Η in-vivo απεικόνιση συνεισφέρει στην έγκαιρη διάγνωση και την παρακολούθηση της εξέλιξης των ασθενειών (π.χ. καρκινικές µεταστάσεις). Οι τεχνικές απεικόνισης περιλαµβάνουν την οπτική απεικόνιση και φασµατοσκοπία, πυρηνική απεικόνιση µε τη βοήθεια ραδιενεργών ανιχνευτών, απεικόνιση µαγνητικού συντονισµού, τοµογραφία εκποµπής ποζιτρονίων. Τα υλικά που χρησιµοποιούνται ως επικαλύψεις νανοσωµατιδίων για παράδειγµα, ή που είναι βασισµένα σε µακροµοριακές δοµές (λιποσώµατα, δεδροµερή), σε συνδυασµό µε τις εξελίξεις στις οπτικές µεθόδους νανο-απεικόνισης, οδηγούν στη ραγδαία βελτίωση της in-vivo απεικόνισης, ώστε να αποφευχθούν προβλήµατα σχετικά µε την τοξικότητα και µε την ασφάλεια των ασθενών (λόγω των ανιχνευτών που χρησιµοποιούνται).

  14  

Οι νανοσυσκευές ανοίγουν νέους ορίζοντες στην ιατρική διαγνωστική και θεραπεία, µε την ενσωµάτωσή τους σε βιοϊατρικές συσκευές, καθώς οι τεχνολογικές πρόοδοι στα υλικά και τους βιοαισθητήρες γίνονται πρόδροµοι της ανάπτυξης των ιατρικών εφαρµογών. Στον τοµέα της θεραπείας του καρκίνου, όπως και στην συγκεκριµένη µεταφορά φαρµάκων, τα νανοσωµατίδια µπορούν να χρησιµοποιηθούν σαν probes για την τοπική καταστροφή ιστών, χρησιµοποιώντας φως ή θερµότητα για να προκαλέσουν θερµικό φορτίο ή µεταφέροντας και εναποθέτωντας χηµειοθεραπευτικές ουσίες.

Νανοϋλικά µε ενισχυµένες µηχανικές ιδιότητες µπορούν να αντικαταστήσουν αυτά που χρησιµοποιούνται στα ορθοπεδικά εµφυτεύµατα τώρα, τα οποία δεν είναι ανθεκτικά στις πιέσεις που υφίστανται στο εσωτερικό του οργανισµού. Νανοϋλικά µε ελεγχόµενες ηλεκτρικές ιδιότητες µπορούν να χρησιµοποιηθούν στη θεραπεία νευρικών παθήσεων. Νανοτεχνολογικές µέθοδοι ανάπτυξης οδηγούν στην παραγωγή νέων τύπων νανοδοµηµένων βιοϋλικών, όπως νανοΐνες (nanofibers), νανοσφαίρες, νανο-�δέντρα�, βιοενεργούς υάλους κτλ.

2.3 Nems –επιπτώσεις µικρογράφησης

Η εξέλιξη των Μems και Nems έχει τεράστιες επιπτώσεις. Οι αναδυόµενες τεχνολογίες προσφέρουν νέες ευκαιρίες απασχόλησης στις τεχνολογίες ηµιαγωγών και σε βιολογικές εφαρµογές. Από τις συµβατικές µεθόδους κατασκευής των ηµιαγωγών του σήµερα, µε την κατασκευή των µικρο- και νανοσυσκευών περνάµε σε νέες βιοµηχανικές µεθόδους που θα ανοίξουν θέσεις εργασίας στην παραγωγή και στη διδασκαλία.

Οι βιολογικές και οπτικές εφαρµογές των MEMS και NEMs θα οδηγήσουν σε νέες εφαρµογές,στην ανάπτυξη και την έρευνα.Τα MEMS και NEMs κατά πάσα πιθανότητα θα βελτιώσουν σε µεγάλο βαθµό τους κλάδους των κατασκευών και των µεταφορών, (πχ ελαφρύτερα ισχυρότερα και πιο ανθεκτικά οχήµατα και οικοδοµικά υλικά).

Δε γνωρίζουµε όµως σήµερα αρκετά για τις επιπτώσεις των MEMS και NEMs στο περιβάλλον. Τα νανοσυστήµατα που βασίζονται στον άνθρακα µπορεί να είναι πιο τοξικά από τα συµβατικά συστήµατα. Μερικά από τα NEMs ενδέχεται να περιέχουν βαρέα µέταλλα. Η περιεκτικότητα µπορεί να είναι αρκετά µικρή ώστε να µην εντοπίζονται, όµως ενδέχεται να προκαλεί ζηµιές στο ανοσοποιητικό σύστηµα. Τα συστατικά των NEMs ενδέχεται να είναι εξαιρετικά τοξικά για τους ζωντανούς οργανισµούς και µπορούν να εµποδίζουν τους µηχανισµούς του DNA και την πρωτεϊνική σύνθεση. Επίσης δεν είναι πάντα βιοδιασπώµενα µε αποτέλεσµα χρόνια τοξικότητα. Τα νανοϋλικά µπορούν να εισαχθούν κατά λάθος στο περιβάλλον και να κάνουν το εµπλακούν στην τροφική αλυσίδα. Ό,τι αναπαράγει ένα νανοροµπότ µπορεί να προκαλέσει σοβαρά προβλήµατα. Είναι σηµαντικό να επενδυθεί περισσότερος χρόνος και χρήµα για την έρευνα και τους δυνητικούς κινδύνους της νανοτεχνολογίας. Ακριβώς όπως η τεχνολογία των ηµιαγωγών άλλαξε την κοινωνία στον 20ο αιώνα, τα MEMS και NEMs έχουν τη δυνατότητα να αλλάξουν την ανθρώπινη ζωή στον 21ο αιώνα.

  15  

2.3 Nems- State of the Art

Σήµερα υπάρχουν πολλά υψηλής τεχνολογίας, εξαιρετικά ακριβή µέσα που είναι διαθέσιµα από µια σειρά από διανοµείς όπως η Hysitron Ιnc., η MTS Systems Corporation, CSM Instruments, Micro Materials Measuring Technology, Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) και η Advanced Surface Mechanics (asmec). Συσκευές όπως της Hysitron Triboindenter χρησιµοποιούν την τελευταία λέξη της τεχνολογίας των αισθητήρων για να καταστεί δυνατή η ακριβής µέτρηση των ιδιοτήτων της νανοκλίµακας. Διαθέτει αυτοµατοποιηµένες δυνατότητες που επιτρέπουν στον ερευνητή να εισάγει µια προσχεδιασµένη διαδροµή δοκιµών και να αφήνει τη συσκευή να τρέχει το πείραµα πλήρως αυτοµατοποιηµένα. Έχει υψηλή ευαισθησία και ικανότητα εφαρµογής εξαιρετικά χαµηλών φορτίων (≤ 1nN) για εξαιρετικά ρηχό αυλάκι µε περιθώριο µετατόπισης 0.0002nm.

Άλλες συναρπαστικές καινοτοµίες νανοσκληροµέτρησης είναι η δηµιουργία λογισµικού προσοµοίωσης, όπως της Elastica (asmec) µε µοντέλο νανοσκληροµέτρησης που παρέχει πληροφορίες για τα υλικά των εσοχών. Η Advanced Surface Mechanics έχει επίσης δηµιουργήσει ένα λογισµικό που ονοµάζεται IndentAnalyzer, το οποίο έχει την ικανότητα να αναλύσει τα στοιχεία εσοχής σε εντελώς µέσοανεξάρτητη βάση.

Συσκευές έχουν πλέον τη δυνατότητα να διεξάγουν δοκιµές των υλικών µε την άσκηση πλευρικής δύναµης στην επιφάνεια του υλικού και παράλληλα άσκηση κανονικής δύναµης. Με την τεχνική αυτή µπορούν να αξιολογηθούν η δύναµη της τριβής και οι ιδιότητες πρόσφυσης του υλικού. Άλλες δυνατότητες που πλέον προσφέρονται για δοκιµές είναι ο έλεγχος της αυξηµένης θερµοκρασίας και η ακουστική ανίχνευση εκποµπών (ανίχνευση ακουστικών κυµάτων που προκύπτουν λόγω ρογµών στην εκκίνηση.

Στις τεχνολογίες Nems και Mems γίνεται σηµαντική δουλειά στην Ελλάδα τόσο στο Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής του ΕΚΕΦΕ Δηµόκριτος όσο και στο εργαστήριο Μικροηλεκτρονικής του ΙΤΕ Κρήτης. Σηµαντικές καινοτοµίες από ελληνικές οµάδες παρουσιάστηκαν στο 4ο Διεθνές Συνέδριο Micro και Nano του ΕΚΕΦΕ Δηµόκριτος. Παρουσιάστηκαν επίσης σύγχρονες τεχνολογίες µικρορευστοµηχανικών διατάξεων µε εφαρµογές στην ελεγχόµενη διοχέτευση φαρµάκων σε µικροσκοπικές διατάξεις για χηµικές ή βιολογικές αντιδράσεις (lab on a chip).

2.4 Προκλήσεις

Το επίπεδο δραστηριότητας στα MEMS και NEMs επεκτείνεται µε ταχείς ρυθµούς. Το 2007, υπήρχαν τουλάχιστον 15 επιχειρήσεις αξίας πάνω από 100 εκατοµµύρια δολάρια στον κλάδο. Υπάρχουντουλάχιστον 10.000 MEMS που σχετίζονται µε διπλώµατα ευρεσιτεχνίας. Μικροσυστήµατα εξυπηρετούν σχεδόν όλους τους βιοµηχανικούς κλάδους όπως της αεροναυπηγικής, της πληροφορικής, της αυτοκινητοβιοµηχανίας, της αµυντικής βιοµηχανίας, της ιατρικής βιοµηχανίας, ο κλάδος της προβολής των δεδοµένων, των τηλεπικοινωνιών,χηµικών, πετρελαίου, φυσικού αερίου και πολλοί άλλοι.

  16  

Η πολυπλοκότητα του φαινοµένου και των επιπτώσεων στα MEMS και NEMs απαιτεί επεξεργασία της νέας βασικής και εφαρµοσµένης επιστήµης, καθώς και της µηχανικής και των τεχνολογικών εξελίξεων. Νέοι στόχοι είναι η υψηλή πιστότητα µοντέλων, η ανάπτυξη υψηλής απόδοσης, οι τεχνικές κατασκευής χαµηλού κόστους. Για την κατασκευή νανοκλίµακαδοµών, συσκευών και συστηµάτων πρέπει να αναπτυχθούν µοριακές µέθοδοι παρασκευής και να ενισχυθούν οι µοριακές τεχνολογίες.

Οι προκλήσεις στα MEMS και NEMs θα είναι η αξιοπιστία των προϊόντων και των συσκευασιών. Υπολογιστικά µοντέλα πρέπει να αναπτυχθούν για το σχεδιασµό, τη δοκιµή και την πρόβλεψη της συµπεριφοράς των MEMS και NEMs. Οι τεχνικές συσκευασίας των MEMS και NEMs µπορούν να δηµιουργήσουν προβλήµατα, και απαιτείται πολλή δουλειά να εντοπιστούν τα κενά αξιοπιστίας και να αναπτυχθούν οι κατάλληλες διορθωτικές διαδικασίες στην ανάπτυξη προϊόντων και την κατασκευή.

Επιπλέον οι bottom-up τεχνικές αυτοσυγκρότησης είναι ακόµη στα πρώτα στάδια εξέλιξης. Θα πρέπει να ενταθεί και συστηµατικοποιηθεί η έρευνα για πιο βιώσιµες τεχνικές κατασκευής, γεγονός που αν επιτευχθεί θα αποτελεί τη µεγαλύτερη υπόσχεση για το µέλλον της νανοκλίµακας.

  17  

Γλωσσάρι

Ηµιαγωγοί: Ηµιαγωγός είναι κάθε υλικό, όπως το γερµάνιο ή το πυρίτιο, που επιτρέπει να περνά το ηλεκτρικό φορτίο από µέσα του µε κάποιες προϋποθέσεις, όπως είναι αύξηση της θερµοκρασίας ή η πρόσπτωση φωτός. Η ειδική αντίσταση των ηµιαγωγών κυµαίνεται µεταξύ των αγωγών και των µονωτών. Ένας ηµιαγωγός, όπως το πυρίτιο, στην καθαρή κρυσταλλική του µορφή, είναι καλός µονωτής. Ωστόσο, όταν έστω και ένα άτοµο µέσα σε εκατοµµύρια αντικατασταθεί από µία πρόσµιξη (φωσφόρος ή αρσενικό) που προσθέτει ένα ηλεκτρόνιο από την κρυσταλλική δοµή τότε η αγωγιµότητά τους αυξάνεται θεαµατικά. Το ίδιο συµβαίνει αν η πρόσµιξη γίνει µε άτοµο που αφαιρεί ηλεκτρόνιο (βόριο, αργίλιο ή γάλλιο). Στην πρώτη περίπτωση, προκύπτει ηµιαγωγός τύπου n (n από negative καθώς έχουµε παραπάνω ηλεκτρόνια άρα και φορείς αρνητικού φορτίου) και στη δεύτερη τύπου p (p από positive καθώς έχουµε επιπλέον οπές που δηλώνουν απουσία ηλεκτρονίων άρα ύπαρξη θετικού φορτίου). Αυτός ο τρόπος πρόσµιξης ονοµάζεται doping (νόθευση). Λεπτά στρώµατα ηµιαγωγών υλικών συσκευασµένα µαζί συνθέτουν διάφορους τύπους τρανζίστορ που χρησιµοποιούνται σε πολλές εφαρµογές που αφορούν, µεταξύ άλλων, τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Το τρανζίστορ, η κρυσταλλοδίοδος, η δίοδος Zener, η δίοδος Tunnel και τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα είναι µερικά από τα στοιχεία που ανήκουν στους ηµιαγωγούς.

Κρυσταλλογραφία: ονοµάζεται γενικά η µελέτη του κρυσταλλικού πλέγµατος, δηλαδή της γεωµετρικής δόµησης, εκείνης των κρυστάλλων. Με τη βοήθεια της κρυσταλλογραφίας και των µεθόδων που ακολουθεί, οι επιστήµονες ανακαλύπτουν τη γεωµετρική διάταξη (κρυσταλλικό σύστηµα) των σωµατιδίων που συγκροτούν τους κρυστάλλους. Δέσµη ακτίνων Χ περνώντας µέσα από τα µικροσκοπικά σωµατίδια του κρυστάλλου δηµιουγεί ένα σχήµα από κηλίδες πάνω σε φιλµ στο οποίο στη συνέχεια η δέσµη προσκρούει. Από το σχήµα που αποτυπώνεται στο φιλµ οι ειδικοί µελετητές αναγνωρίζουν τη γεωµετρική δόµηση. Αυτή η τεχνική χρησιµοποιείται επίσης και στη µελέτη κραµάτων και ορυκτών, ακόµη δε και στη διερεύνηση της δοµής του DNA µε καθοριστικό µάλιστα ρόλο στη γενετική. (Wikipedia)

Μικροηλεκτροµηχανικά συστήµατα (Μems): ηλεκτρονικά συστήµατα µεγέθους από 1 εώς 100 µm. Σκοπός της λειτουργίας τους είναι η ηλεκτρική ενέργεια να παράγει έργο (µηχανικά). Η βάση τους είναι συνήθως το πυρίτιο. Ο όρος Mems είναι ο αµερικανικός όρος, και είναι αυτός που έχει επικρατήσει στη βιβλιογραφία και τη βιοµηχανία. Σπανιότερα συναντάµε τον ευρωπαϊκό όρο (Mes), ο οποίος αφορά συσκευές οι οποίες δεν έχουν απαραίτητα κινούµενο µέρος.

Μικροτεχνία: είναι τέχνη και όχι επιστήµη, αναφέρεται στη δηµιουργία πολύ µικρών καλαίσθητων αντικειµένων είτε µε χρηστική αξία είτε χωρίς, συνήθως από µέταλλο ή και ξύλο. Η αρχή της µικροτεχνίας ανάγεται στις αρχές του 17ου αιώνα, στην Ευρώπη και συµβαδίζει µε την ανάπτυξη της τέχνης των ωρολογοποιών.

Νανοηλεκτροµηχανικά συστήµατα (Νems): ηλεκτροµηχανικά συστήµατα εξαιρετικά µικρού µεγέθους (της τάξης µερικών νανοµέτρων). Η βάση τους είναι

  18  

συνήθως ο άνθρακας. Τα υλικά και οι τρόποι επεξεργασίας και κατασκευής διέπονται από τους νόµους της κβαντικής φυσικής επειδή σε τόσο µικρή κλίµακα η ύλη έχει διαφορετικές ιδιότητες.

Νανοσωλήνες άνθρακα: είναι οµόκεντροι κύλινδροι γραφίτη, κλειστοί σε κάθε άκρο µε πενταµελείς δακτυλίους και ανακαλυφθήκαν το 1991 από τον Sumio Iijima. Οι νανοσωλήνες µπορεί να είναι πολυφλοιϊκοί µε ένα κεντρικό σωλήνα να περιβάλλεται από ένα ή περισσότερα στρώµατα γραφίτη ή µονοφλοιϊκοί όπου υπάρχει µόνο ένας σωλήνας και καθόλου επιπλέον στρώµατα γραφίτη. Όταν νανοσωλήνες οµαδοποιούνται έχουµε τις λεγόµενες συστοιχίες νανοσωλήνων.(wikipedia)

Νανοτεχνολογία: νοείται η δυνατότητα ελέγχου ή χειρισµού υλικών σε ατοµική κλίµακα µε στόχο την παραγωγή δοµών µε πρωτότυπες ιδιότητες και λειτουργίες που οφείλονται στο µέγεθός τους, στο σχήµα τους ή στη σύνθεσή τους. Η αρχή της νανοτεχνολογίας είναι απλή: αντί να σµικρύνεται η ύλη µέχρις ότου επιτευχθεί η µικρότερη µονάδα, αποσπάται από την ύλη. Οι δοµές αυτές είναι σε µέγεθος µικρότερες από 100 nm . Ένα νανοµέτρο ( nm ) είναι ένα δισεκατοµµυριοστό του µέτρου, που περίπου αναλογεί σε 100,000 φορές µικρότερο από το πλάτος µιάς ανθρώπινης τρίχας. Δηµιουργούνται νέα νοήµονα υλικά διαφορετικού µεγέθους και σχήµατος σε νανοκλίµακα, τα οποία χαρακτηρίζονται από εξαιρετικές ιδιότητες όπως ηλεκτρικές, οπτικές, φυσικές, χηµικές, κ.ά. Στο επίπεδο της νανοκλίµακας οι ιδιότητες αυτές των υλικών µπορεί να είναι εντελώς διαφορετικές από τις ιδιότητες των ίδιων υλικών σε συµβατική κλίµακα.

Σταθερά του Planck: συµβολίζεται µε h και είναι µία φυσική σταθερά που αντιπροσωπεύει το µέγεθος των κβάντα στην κβαντική µηχανική. Περιγράφηκε ως η σταθερά αναλογίας µεταξύ ενέργειας φωτονίου και της συχνότητας του ηλεκτροµαγνητικού κύµατος. Αυτή η σχέση ονοµάστηκε εξίσωση Planck:

€

E = hv

E=ενέργεια  φωτονίου,  v=  συχνότητα  κύματος,  h=  σταθερά  Planck  

Κι  επειδή  ισχύει  ότι    

€

λv = c  

λ=  μήκος  κύματος,  c=  ταχύτητα  του  φωτός,    

Η  εξίσωση  Planck  μπορεί  να  εκφραστεί  και:  

€

E =hcλ  

Η σταθερά του Πλανκ µετριέται σε µονάδες ενέργειας επί το χρόνο , εκφράζεται σε joule επί δευτερόλεπτα. (J * s ). Οι µονάδες µέτρησης µπορούν ακόµα να γραφτούν και ως ώθηση επί απόσταση (Ν*m *s), οι οποίες είναι και οι µονάδες µέτρησης της στροφορµής.  

€

h = 6.62606896×10−34 J × s

Φαινόµενο Casimir: Το φαινόµενο Casimir είναι µια µικρή ελκτική δύναµη που δρα µεταξύ δύο αφόρτιστων αγώγιµων πλακών παράλληλων µεταξύ τους όταν βρίσκονται σε πολύ κοντινή απόσταση. Το φαινόµενο το πρόβλεψε ο Ολλανδός φυσικός

  19  

Hendrick Casimir το 1948. Σύµφωνα µε την κβαντική θεωρία, ο χώρος που φανταζόµαστε ως κενό δεν είναι εντελώς άδειος γιατί κάτι τέτοιο θα σήµαινε ότι η ένταση των διαφόρων πεδίων όπως του βαρυτικού και του ηλεκτρικού είναι µηδέν. Αλλά η τιµή και ο ρυθµός της χρονικής µεταβολής ενός πεδίου είναι δύο µεγέθη όπως η θέση και η ταχύτητα, δηλαδή ισχύει γι αυτά η αρχή της απροσδιοριστίας. Όσο µεγαλύτερη είναι η ακρίβεια προσδιορισµού της µιας από αυτές τις ποσότητες τόσο µικρότερη είναι η ακρίβεια προσδιορισµού της άλλης. Ανάµεσα στις παράλληλες µεταλλικές πλάκες ασκείται µια ελκτική δύναµη. Η πεπερασµένη απόσταση µεταξύ των πλακών εµποδίζει την υλοποίηση 'δυνάµει' σωµατιδίων στον ενδιάµεσο κενό χώρο (ο κενός χώρος είναι γεµάτος από παροδικά τέτοια σωµατίδια), µε µήκη κύµατος µεγαλύτερο από κάποιο συγκεκριµένο ανώτατο όριο. Έτσι υπάρχουν περισσότερα σωµατίδια έξω από τις πλάκες παρά στον ενδιάµεσο χώρο. Η διαφορά αυτή εκδηλώνεται σαν µια ελκτική δύναµη. Το φαινόµενο Casimir εξαρτάται από το σχήµα των πλακών. Έτσι στον κενό χώρο το πεδίο δεν µπορεί να διατηρείται ακριβώς ίσο µε το µηδέν, γιατί τότε θα είχε και µια ακριβώς προσδιορισµένη τιµή (µηδέν) και έναν ακριβώς προσδιορισµένο ρυθµό χρονικής µεταβολής (επίσης µηδέν). Πρέπει να υπάρχει µια ορισµένη ελάχιστη ποσότητα απροσδιοριστίας- µια κβαντική διακύµανση- στην τιµή και το ρυθµό µεταβολής του πεδίου. Μπορεί να φανταστεί κανείς αυτές τις κβαντικές διακυµάνσεις ως ζεύγη σωµατιδίων φορέων αλληλεπίδρασης πχ φωτόνια που εµφανίζονται µαζί σε κάποιο σηµείο, αποµακρύνονται και ύστερα πλησιάζουν πάλι και εξαυλώνονται. Αυτά τα δυνάµει σωµατίδια δεν µπορούν να ανιχνευτούν άµεσα από ένα ανιχνευτή σωµατιδίων. Επειδή όµως µεταφέρουν ενέργεια, προκειµένου να µην παραβιάζεται η αρχή διατήρησης της ενέργειας, η διάρκεια ζωής τους Δt είναι τέτοια ώστε η απροσδιοριστία της ενέργειάς τους ΔΕ πολλαπλασιασµένη επί Δt να είναι της τάξης µεγέθους της σταθεράς του Planck h. Σύµφωνα µε τη θεωρία η ολική ενέργεια της θεµελιώδους στάθµης του κενού είναι άπειρη αν αθροιστούν όλες οι δυνατές καταστάσεις των δυνάµει φωτονίων που µπορούν να δηµιουργηθούν. Ο Casimir έδειξε ότι προκειµένου να µην απειρίζεται η ενέργεια µηδενικής στάθµης του κενού, πρέπει σ’ αυτήν να συνεισφέρουν µόνο τα δυνάµει φωτόνια εκείνα που το µήκος κύµατός τους χωράει ακέραιο αριθµό φορών στην απόσταση των δύο πλακών. Συνεπώς η πυκνότητα ενέργειας του κενού στο χώρο µεταξύ των πλακών µειώνεται καθώς ελαττώνεται η απόσταση των πλακών αφού τα µήκη κύµατος που συνεισφέρουν είναι τώρα λιγότερα. Αυτό µε άλλα λόγια σηµαίνει ότι υπάρχει µια µικρή δύναµη που προσπαθεί να φέρει τις πλάκες πιο κοντά. Η µικροσκοπική αυτή δύναµη µετρήθηκε το 1996 από τον Steven Lamoreaux. Τα αποτελέσµατά του ήταν σε συµφωνία µε τη θεωρία µέσα σε πειραµατικό σφάλµα 5%. Άλλα σωµατίδια εκτός των φωτονίων συνεισφέρουν επίσης κατά µικρό ποσοστό στη δύναµη µεταξύ των πλακών, αλλά µόνο η δύναµη από τα φωτόνια είναι µετρήσιµη. Όλα τα µποζόνια όπως τα φωτόνια οδηγούν σε ελκτική δύναµη Casimir, ενώ τα φερµιόνια έχουν απωστική συνεισφορά. Αν ο ηλεκτροµαγνητισµός ήταν µια υπερσυµµετρική θεωρία τα φερµιόνια φωτίνα τα οποία προβλέπουν οι υπερσυµµετρικές θεωρίες ως συνοδευτικά των φωτονίων, θα είχαν συνεισφορά στο φαινόµενο Casimir που θα αναιρούσε αυτή των φωτονίων και η συνολική δύναµη θα ήταν µηδέν. Το γεγονός όµως ότι το φαινόµενο Casimir υπάρχει δείχνει ότι αν η υπερσυµµετρία υπάρχει στη φύση πρέπει να είναι µια σπασµένη συµµετρία. (πηγή: http://www.physics4u.gr/articles/casimir.html)

  20  

Φαινόµενο αποκλεισµού του Coulomb: λόγω της αυξηµένης αντίστασης σε µικρές τάσεις σε µια ηλεκτρονική συσκευή που περιλαµβάνει τουλάχιστον µία διασταύρωση σήραγγας χαµηλής χωρητικότητας. Λόγω του φαινοµένου του αποκλεισµού, οι αντιστάσεις των συσκευών δεν είναι σταθερά σε χαµηλές τάσεις, αλλά η αύξηση στο άπειρο. (δηλαδή, δεν υπάρχει ρεύµα).

Φωτολιθογραφία: Η κατασκευή των ολοκληρωµένων chip βασίζεται στην τεχνική της φωτολιθογραφίας. Με την τεχνική της φωτολιθογραφίας µια δέσµη υπεριώδους φωτός (UV) διαπερνά κατάλληλη µάσκα και προσπίπτει σε λεπτή φέτα πυριτίου καλυµµένη µε οξείδιο και πάνω από το οξείδιο µε φωτοευαίσθητο υµένιο (φιλµ). Η µάσκα σκιαγραφεί τα διάφορα µέρη του chip και το υπεριώδες φως θα προσπέσει µόνο στις περιοχές εκείνες που τις αφήνει εκτεθειµένες η µάσκα. Το φωτοευαίσθητο υλικό είναι ένα γαλάκτωµα που πολυµερίζεται όταν εκτεθεί στο υπεριώδες φως. Κατά τη διαδικασία εµφάνισης του φιλµ οι περιοχές του υµενίου στις οποίες δεν έπεσε το φως αποµακρύνονται καθώς διαλύονται σε κατάλληλο χηµικό όπως το τριχλωροαιθυλένιο (σε αντίθεση µε αυτές που πολυµερίστηκαν οι οποίες παραµένουν). Έτσι το chip περιλαµβάνει προστατευµένες και µη προστατευµένες περιοχές από υµένιο περιοχές. Οι µη προστατευµένες από το υµένιο περιοχές υποβάλλονται σε χηµική χάραξη (εµβάπτιση σε διάλυµα HCl) για αποµάκρυνση του οξειδίου του πυριτίου από αυτές και στη συνέχεια υπόκεινται σε επεξεργασία που αλλάζει τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες. Κατόπιν οι πολυµερισµένες περιοχες του υµενίου αποµακρύνονται και αυτές µε χρήση χηµικού διαλυτικού (H2SO4) σε συνδυασµό µε µηχανική χάραξη. Προστίθεται νέο στρώµα υλικού και η διαδικασία επαναλαµβάνεται στρώµα-στρώµα. Όταν η πολυστρωµατική δοµή ολοκληρωθεί, µε αυτήν την επαναλαµβανόµενη διαδικασία, ακολουθεί η επιµετάλλωση. Και για την επιµετάλλωση, στην πολυστρωµατική δοµή επιστρώνεται φωτοευαίσθητο υλικό το οποίο εκτίθεται σε υπεριώδη ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία η οποία προσπίπτει σε αυτό περνώντας δια µέσου µιας µάσκας. Ρόλος της µάσκας σε αυτήν την περίπτωση, είναι ο καθορισµός όλων των ηλεκτρικών συνδέσεων µεταξύ των διαφόρων µερών του chip. Το φιλµ εµφανίζεται και τα µη εκτεθειµένα στο φως (µη πολυµερισµένα) µέρη του αποµακρύνονται. Στη συνέχεια, το µέταλλο που δεν προστατεύεται από το υµένιο αποµακρύνεται για να σχηµατιστούν έτσι οι ηλεκτρικές συνδέσεις. Στο τελικό στάδιο, το chip ελέγχεται και συσκευάζεται (test & package). Σε διαδικασίες µαζικής παραγωγής, η χρήση της µάσκας σε κάθε βήµα που περιγράφηκε προηγουµένως γίνεται σε περισσότερα του ενός chip κάθε φορά. Με µια βηµατική διαδικασία (stepping process) σε ένα µεγάλο υπόβαθρο πυριτίου σχηµατίζονται chips το ένα δίπλα στο άλλο. Το υπόβαθρο του πυριτίου µετακινείται βηµατικά κάτω από τη µάσκα και υπό την έκθεση της UV ακτινοβολίας. Με τον τρόπο αυτό επαναλαµβάνονται οι ίδιες διαδικασίες φωτολιθογραφίας από chip σε chip χρησιµοποιώντας την ίδια µάσκα. Το φωτοευαίσθητο υλικό για το οποίο έγινε αναφορά στην προηγούµενη περιγραφή της φωτολιθογραφίας χαρακτηρίζεται ως αρνητικό (negative photoresist). Στην τεχνική της φωτολιθογραφίας µπορεί να χρησιµοποιηθεί και θετικό φωτοευαίσθητο υλικό. Στην περίπτωση αυτή το τµήµα του φωτοευαίσθητου υλικού που εκτίθεται στο φως αποσυντίθεται και αποµακρύνεται µε πλύση για να παραµείνουν τα τµήµατα που βρίσκονταν κάτω από τις αδιαφανείς περιοχές της µάσκας. Σε κάθε περίπτωση, το φωτοευαίσθητο υλικό που θα παραµείνει θα πρέπει να κολλά πολύ καλά στην επιφάνεια του στρώµατος που

  21  

πρόκειται να προστατέψει από τη χηµική διάβρωση και να δίνει ξεκάθαρες και απότοµες διαχωριστικές επιφάνειες ώστε να γίνει στη συνέχεια µε µεγάλη χωρική ακρίβεια η αποµάκρυνση του διοξειδίου του πυριτίου, του αλουµινίου ή του πολυκρυσταλλικού πυριτίου, ανάλογα µε την περίπτωση, από τις µη προστατευµένες περιοχές. Πηγή: C. C. Katsidis (ETY-482) 2007 σηµειώσεις: Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονικη

  22  

Περίληψη

Τα µικροηλεκτροµηχανικά και νανοηλεκτροµηχανικά συστήµατα είναι ηλεκτροµηχανικά συστήµατα πολύ µικρής κλίµακας. Τα mems ξεκίνησαν να υλοποιούνται τη δεκαετία του 80, ενώ τα nems αποτελούν πιο πρόσφατο, σύγχρονο τεχνολογικό επίτευγµα. Τα mems έχουν συνήθως ως βάση το πυρίτιο και κατασκευάζονται σύµφωνα µε τους κανόνες κατασκευής των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων. Κρίσιµος παράγοντας για την αξιοπιστία τους είναι οι δοκιµές που σκοπό έχουν την αποφυγή αποτυχιών δοµής και απόδοσης. Ενδεικτικά µερικές από τις εφαρµογές τους είναι σε µέσα µεταφοράς, τηλεπικοινωνίες, βιολογία και υγειονοµική περίθαλψη. Τα nems έχουν συνήθως ως βάση τον άνθρακα. Στη νανοκλίµακα οι ιδιότητες των υλικών ακολουθούν τους κανόνες της κβαντικής φυσικής. Οι πιο συνήθεις µέθοδοι επεξεργασίας των νανοδοµών και κατασκευής των νανοσυσκευών είναι οι ηλεκτροστατικές µέθοδοι, η λιθογραφία και η αυτοσυγκρότηση. Οι νανοσυσκευές έχουν εφαρµογή στην αποθήκευση υπολογιστικής µνήµης και ποικίλες εφαρµογές στη βιοϊατρική. Η εξέλιξη των Μems και Nems έχει τεράστιες επιπτώσεις. Οι αναδυόµενες τεχνολογίες προσφέρουν νέες ευκαιρίες απασχόλησης στις τεχνολογίες ηµιαγωγών και σε βιολογικές εφαρµογές. Δε γνωρίζουµε όµως αρκετά για τις επιπτώσεις των MEMS και NEMs στο περιβάλλον. Σήµερα υπάρχουν πολλά υψηλής τεχνολογίας, εξαιρετικά ακριβή µέσα που είναι διαθέσιµα από µια σειρά από διανοµείς στο εξωτερικό. Στην Ελλάδα στις µικρο- και νανοσυσκευές γίνονται σηµαντικές εργασίες στο EΚΕΦΕ Δηµόκριτος και στο ΙΤΕ του Πανεπιστηµίου Κρήτης. Στις προκλήσεις του µέλλοντος συγκαταλλέγονται η πιστότητα των µοντέλων, η αξιοπιστία προϊόντων, τα υπολογιστικά µοντέλα για σχεδιασµό, δοκιµές, και πρόβλεψη συµπεριφοράς για nems και mems, και η βελτίωση των bottom-up τεχνικών αυτοσυγκρότησης.

  23  

Βιβλιογραφία

Σηµειώσεις µαθήµατος “Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική”, C. C. Katsidis, 2007, Πανεπιστήµιο Κρήτης

Συµπεράσµατα 4ου διεθνούς συνεδρίου Micro&Νano, Ινστιτούτο Μικροηλεκτρονικής ΕΚΕΦΕ Δηµόκριτος, 12-15 Δεκεµβρίου 2010

Προβλήµατα µηχανικής συµπεριφοράς σε συστήµατα κβαντικών διαστάσεων, της φοιτήτριας Ελένης Πίτρη, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο

Σηµειώσεις διαλέξεων, Raj Nagarajan, Ph.D., Professor, Electronics and Advanced Technologies, Austin Community College

Characterization of thin metallic films in MEMS-based electrical contacts, Ben Dvorak, Fundamentals of Nanotechnology: From Synthesis to Self-Assembly, Oklahoma State University

Introduction to Reliability in MEMS Packaging, Tai-Ran Hsu, ASME Fellow Microsystems Design and Packaging Laboratory, Department of Mechanical and Aerospace Engineering, San Jose State University, presented at International Symposium for Testing & Failure Analysis, San Jose Convention Center California, November 5, 2007 Lectures on MEMS and MICROSYSTEMS DESIGN AND MANUFACTURE Tai-Ran Hsu, ASME Fellow Professor, Microsystems Design and Packaging Laboratory Department of Mechanical and Aerospace Engineering San Jose State Universityan, California

Nanotribology and nanomechanics of Μems/Nems and BioMems/BioNems materials and devices, Bharat Bhushan, Nanotribology Laboratory for Information Storage and Mems/Nems (NLIM), The Ohio State University

C-NEMS Applications in the Biomedical, Michael Ra, Materials Engineering

Lecture notes, week 9- mems/nems, http://www.exo.net/~jillj/MatE%20297/Week%209%20MEMS-NEMS.pdf