Учёные разрабатывают механические переключатели размером с молекулу ДНК, используя эффект фазового перехода в халькогенидных стёклах. Эта технология NEMS (nano-electromechanical systems) обещает превзойти по компактности традиционные MEMS-реле.
Микроэлектромеханические системы (MEMS) начали активно применяться с 1980-х годов, заменив простые механические датчики (например, датчики удара в подушках безопасности) на сложные устройства — акселерометры, гироскопы и радиочастотные переключатели. Так, ADGM1304 от Analog Devices представляет собой MEMS-переключатель с одной входной линией и четырьмя выходами, интегрированным драйвером и полосой пропускания от 0 Гц до 14 ГГц.
Однако MEMS-реле, несмотря на миниатюризацию, остаются крупнее электронных компонентов на кристалле. Причина кроется в конструкции: упругие элементы (флексуры), необходимые для создания восстанавливающей силы и преодоления адгезии контактов, требуют определённых размеров. Это препятствует масштабированию MEMS-устройств до нанометровых масштабов.
Прорыв произошёл в лаборатории Carnegie Mellon Institute, где была разработана нановыключатель на базе фазового перехода — PCNR (phase-change NEMS relay). В отличие от MEMS, она использует совершенно другой принцип: фазовое превращение материала вместо механических флексур.
Принцип действия и конструкция PCNR
«Наша цель — создать механические переключатели размером с молекулу ДНК, — поясняет профессор Джанлука Пьяцца, руководитель проекта. — Для этого мы используем твёрдотельный материал, который при нагреве претерпевает фазовое превращение и расширяется на 10%. Это примерно такое же изменение объёма, как при замерзании воды. Такое преобразование создаёт огромные силы и смещения, достаточные для замыкания зазора в нанометровый диапазон и образования надёжного электрического контакта, как в обычном выключателе света.»
В качестве фазовоменяющего материала (PCM) используется халькогенидное стекло на основе германия и теллура (GeTe) — материал, содержащий халькогены (серу, селен, теллур), но не кислород. Фазовый переход инициируется встроенным микронагревателем, который плавит и резко охлаждает GeTe, переводя его из кристаллического состояния в аморфное.
Конструкция PCNR состоит из двух основных элементов: пары контактов и актюатора на основе GeTe. Металлический контакт закреплён на верхней поверхности актюатора и взаимодействует с подвешенной парой электродов (сток и исток). Актюатор содержит резистивный нагреватель и слой PCM, заключённый в изолирующую оболочку. Расширение и сжатие актюатора зависят от того, находится ли GeTe в аморфном (расширенном) или кристаллическом (сжатом) состоянии.
Процесс коммутации
В исходном состоянии (off) электроды сток и исток разделены воздушным зазором от металлического контакта, а PCM находится в кристаллическом состоянии.
Для включения (on) нагреватель плавит часть GeTe. Затем происходит быстрое охлаждение (quench), которое переводит материал в аморфное состояние большего объёма. PCM кратко остаётся в жидком виде перед охлаждением; скорость охлаждения критична — слишком медленное охлаждение вернёт материал в кристаллическое состояние, и реле не сработает. Расширение актюатора прижимает металлический контакт к электродам, замыкая цепь.
Выключение (off) менее энергозатратно: нагреватель повышает температуру PCM, но без полного расплавления, что стимулирует быструю кристаллизацию. Материал остаётся твёрдым на протяжении всего процесса. При кристаллизации актюатор сжимается, металлический контакт отходит от электродов, восстанавливая воздушный зазор.
Характеристики и производительность
Размеры PCNR (включая нагреватель): примерно 1 мкм в ширину и 3 мкм в длину. Воздушный зазор составляет 20 нм, а максимальное смещение актюатора — 26 нм. Время включения: 300 нс, время выключения: 600 нс.
На данном этапе разработки есть недоработки по постоянному току: сопротивление в состоянии on составляет 260 Ом, а ток утечки в состоянии off находится в диапазоне 10—14 фемтоампер. Это требует дальнейшей оптимизации конструкции и материалов.
Публикации и перспективы
Результаты исследования были представлены на IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) в 2019 году в докладе «Phase Change NEMS Relay». Полное описание проекта содержится в диссертации Джеймса Т. Беста «Novel Topologies for Highly-Scalable Non-Volatile NEMS Relays» (объёмом 140 страниц), которая хорошо структурирована и охватывает не только принципы работы PCNR, но и материаловедение, численное моделирование в COMSOL, технологию изготовления, методы тестирования, а также обзор других типов MEMS-переключателей и их характеристик.
PCNR выглядит многообещающей эволюцией относительно существующих MEMS-систем. Однако история технологий показывает, что переход от лабораторного прототипа к надёжному, долговечному и экономичному продукту требует лет, а иногда и десятилетий целенаправленных разработок. Остаётся открытым вопрос: станет ли NEMS/PCNR массовой технологией или, подобно многим перспективным разработкам в батарейной индустрии, останется интересным научным результатом без практического применения.
