NEMS (nano electro mechanical system)

Nano Electro Mechanical System (NEMS) sind eine Kombination aus mechanischen und optischen Elementen sowie Sensoren, Aktoren und elektronischen Schaltungen auf einem Substrat, bzw. Chip. Sie sind eine Weiterentwicklung der Micro Electro Mechanical System (MEMS) auf der Nanoebene, denen sie im Aufbau und Anwendung ähnlich sind. Für die Herstellung von NEMS und MEMS werden Halbleitermaterialien oder verformbare Kunststoffe mit einer Beschichtung versehen. Der hierfür häufig benutzte Fotolack dient dazu, in einem weiteren Schritt lithografisch Strukturen zu übertragen. Im Vergleich zu Halbleitern handelt es sich hier um stark strukturierte Substrate mit tiefen Strukturen im Nanobereich.

MEMS und NEMS kann man auch als mikro- und makroelektronische Schaltungen definieren, die durch integrierte Sensorik die Fähigkeit haben, zu entscheiden und zu reagieren. Den Strukturen von NEMS nähert man sich durch zwei Ansätze: Bei der Top-Down-Technologie dienen speziell entwickelte Werkzeuge zur Herstellung noch kleinerer Werkzeuge - man gelangt quasi vom Millimeterbereich (mm) über den Mikrometerbereich (µm) in den Nanometerbereich (nm). Bei der Bottom-Up-Methode werden einzelne Atome oder Moleküle zu komplexen Funktionseinheiten zusammengefügt.

Im Jahr 2000 wurde die erste VLSI-NEMS (Very Large Scale Integration NEMS) vorgestellt. Hierbei wird mit AFM-Spitzen ein verformbares Substrat so erhitzt oder abgetastet, dass es wie ein Speicher funktioniert. Mit Atomic Force Microscope (AFM) wird die Rasterkraftmikroskopie bezeichnet. Hierbei wird eine Nadelspitze über die Oberfläche eines Objekts geführt und ein Laserstrahl auf das Objekt gerichtet. Mit dieser Technologie sind Auflösungen im Sub-Angström-Bereich möglich. 1 Angström entspricht als Längeneinheit 0,1 nm.

Nanomotor mit Kohlenstoffnanoröhre als Rotor, Grafik: physicsweb.org

Ein Beispiel für die Top-Down-Technologie ist der Nanomotor. Dieser ist wird aus winzigen Kohlenstoff- Nanoröhrchen (Carbon Nanotubes) gebaut und wandelt elektrische Energie in Wärmeenergie um, die ihrerseits dann in Bewegungsenergie umgewandelt wird. Derartige Nanomaschinen können als Nanospritzen oder Aktoren eingesetzt werden.

Rasterkraftsonde mit Nanoröhre als ultrascharfer Spitze, Foto: boulder.nist.gov

Nanoröhren sind lange Zylinder mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern. Am häufigsten werden sie aus Kohlenstoff gefertigt und als Carbon Nano Tubes (CNT) bezeichnet. Kohlenstoffnanoröhren ergeben sich, bildlich gesprochen, durch Aufrollen einer Grafitebene zu einer Röhre. Nanoröhrchen zeichnen sich durch hohe elektrische udn thermische Leitfähigkeit, durch mechanische und thermische Stabilität sowie durch Aktuatoreigenschaften bei geringer Spannung aus.

MEMS und NEMS erlangen in der Informationstechnik, Medizintechnik, Biotechnologie sowie in der Luft- und Raufahrt zunehmende Bedeutung. In der Raumfahrt finden sie Verwendung als Mikroaktoren und -sensoren; in der Kraftfahrzeugtechnik als Signalwandler und Beschleunigungsmesser. Der Einsatz von intelligenten Mikrorobotern wird durch weitere Miniaturisierung zu NEMS zunehmen.