NEMS. Mecánica y semiconductores al servicio de la detección (II)
A priori puede parecer que la idea de NEM es sencilla, pero… ¿Cómo conseguir manipular los componentes a tan pequeña escala?
Es necesario utilizar tecnologías de deposición basadas tanto en reacciones químicas como en interacciones físicas, con un control átomo a átomo que permita el diseño de las distintas capas del dispositivo mediante procesos litográficos.
- ‘Deposiciones químicas’:
- CVD: deposición sobre un sustrato de un compuesto condensado a partir de una reacción gaseosa de los materiales a depositar. Se utiliza para depositar capas delgadas con buena cobertura
- Electrodeposición: sólo para materiales conductores. Se basa en la deposición electrolítica convencional y se utiliza sobre todo para metalizaciones.
- Epitaxia: muy similar al CVD, pero aquí el sustrato es un cristal semiconductor sobre el que se crece el dispositivo con la misma orientación cristalográfica que el sustrato. Permite crecer capas gruesas (>100mm) debido a la elevada velocidad de crecimiento que se alcanza.
- Oxidación térmica: proceso más básico consistente en oxidar la superficie del sustrato en una atmósfera rica en oxígeno, es el único proceso que consume sustrato y está limitado a materiales susceptibles de oxidarse.
- ‘Deposiciones físicas’:
- PVD: técnica más barata pero menos eficaz que el CVD. Consta de dos procesos, la evaporación y el sputtering en los que el material a depositar se adhiere al sustrato por evaporación y condensación o por proyección.
- Casting: que consiste en el ‘pintado’ de la superficie con una disolución del material a depositar en un disolvente que se evapora dejando una capa de material sobre el sustrato. Se utiliza sobre todo para sustratos poliméricos.
El mundo de los NEMS abre muchas puertas en cuanto a detección, pero aún debe conseguir superar algunas dificultades, hay varios retos que alcanzar:
- Avanzar en la comunicación de las señales entre el mundo microscópico de los NEMS y el mundo macroscópico.
- Entender y controlar los mecanismos mesoscópicos.
- Encontrar métodos de fabricación reproducibles para implementar la fabricación en serie.
Actualmente estas son líneas de investigación activas de gran importancia, ya que los NEMS tienen numerosas aplicaciones:
- Metrología y ciencia fundamental.
- Microscopio de fuerza de resonancia magnética (MRFM): que se basa en el hecho de que la mayoría de los núcleos atómicos poseen un momento magnético o spin que puede interactuar con un campo magnético aplicado.
- Resonancia magnética de single-spin.
- Contadores de fonones.
Una de las aplicaciones más novedosas son los bioNEMS (‘BioNEMS: nanomechanical Systems for Single-Molecule Biophysics’, J.L. Arlet, M.R. Paul, J.E. Solomon, S.E. Fraser and M.L. Roukes (2007)), es decir, NEMS utilizados para la detección de variables relacionadas con el mundo celular. En este campo los NEMS brindan la oportunidad de realizar medidas con una sensibilidad sin precedentes, a un nivel de detección de fuerzas del orden de los picoNewtons, que son fuerzas menores a las necesarias para romper los puentes de hidrógeno, que son las fuerzas fundamentales que unen a los elementos estructurales que intervienen en los procesos de reconocimiento molecular. Los bioNEMS permitirán la observación en tiempo real, de procesos bioquímicos estocásticos que impliquen a moléculas individuales, que ocurran con una velocidad inferior a los microsegundos.
Como se ha podido comprobar, el campo que abren los NEMS en detección es enorme, sin embargo, aún hay que avanzar, tanto en su comunicación con el mundo exterior como en sus métodos de fabricación. En cuanto a estos últimos, se vislumbra como una posibilidad factible a no muy largo plazo la fabricación de estos dispositivos átomo a átomo y no a partir de materiales masivos, lo que aumentaría en gran medida la precisión.
Este trabajo está basado en la publicación de Michael L. Roukes.
Tags: BioNEMS, CVD, MRFM, PVD, tecnologías de deposición
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