NEMS纳机电系统

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NEMS纳机电系统

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　　纳机电系统(Nano-Electromechanical System,简称NEMS)是20世纪90年代末、21世纪初提出的一个新概念。可以这样来理解这个概念，即NEMS是特征尺寸在1~100nm、以机电结合为主要特征，基于纳米级结构新效应的器件和系统。从机电这一特征来讲，可以把NEMS技术看成是MEMS技术的发展。但是，MEMS的特征尺寸一般在微米量级，其大多特性实际上还是基于宏观尺度下的物理基础，而NEMS的特征尺寸达到了纳米数量级，一些新的效应如尺度效应、表面效应等凸显，解释其机电耦合特性等需要应用和发展微观、介观物理。也就是说，NEMS的工作原理及表现效应等与MEMS有了甚至是根本性的不同。因此，从更本质上说，NEMS技术已经是纳米科技的一个重要组成部分和方向。

　　目前，世界各地在NEMS及其相关方面开展的研究工作主要有：

　　(1) 谐振式传感器,包括质量传感、磁传感、惯性传感等；

　　(2) RF谐振器、滤波器；

　　(3)微探针热读写高密度存储、纳米磁柱高密度存储技术；

　　(4)单分子、单DNA检测传感器以及NEMS生化分析系统(N-TAS);

　　(5)生物电机;

　　(6)利用微探针的生化检测、热探测技术；

　　(7)热式红外线传感器；

　　(8)机械单电子器件；

　　(9)硅基纳米制作、聚合物纳米制作、自组装；等等。

　　为什么要研究发展NEMS系统？因为人们希望对微小的力和位移进行测量。超导器件约瑟夫森结中电流的震荡，迈克耳逊干涉仪等都可以归结为对微小位移的测量。集成化的NEMS系统能够对10^-21克的质量和10^-21牛顿的力进行测量。这么灵敏的探测器可以帮助我们测量单个核子的核自旋，进而对大分子的三维结构能够进行实时测量。

　　NEMS系统中的振子频率一般高达几十兆赫兹，最高的频率达到10^9赫兹。振子的震动是与电场耦合着的，可以受电场控制。纳米光机械系统（NOMS）也与此类似，不过与机械振子耦合的不是电场，而是光场。与NEMS不同，NOMS也可以用作光学器件，完成一些非线性光学的实验，或者作为一些特殊的光源。

　　目前大家最关心的问题是如何冷却这个振子，希望能够能却到能量的基态。对于不同震动频率的振子，基态对应的温度不同。对10^9赫兹的振子来说，温度也在50毫开尔文。随着振动频率的降低，临界温度也随之降低。因此对于一般的NEMS系统来说，是无法通过降低环境温度使得它处于基态的。只能主动的冷却它。最近2年来，这方面的实验进展比较大，但是并没有一个里程碑式的实验表明可以把振子冷却到了基态。