“该研究开发了一种基于机电可调制分子隧道结的纳米机电开关，可用于超低功耗逻辑运算，有望解决现有芯片技术的功耗问题。最终目的是希望提供一种有别于主流半导体技术的超低功耗逻辑器件与芯片技术。”对于自己的新工作，麻省理工学院（MIT）电机电子工程与计算机科学技术系博士后研究员韩金池表示。
2021 年 12 月 7 日，该工作以《用于高速低电压纳米机电开关的分子型平台》（MolecularPlatform for Fast Low-Voltage Nanoelectromechanical Switching）为题发表在 Nano Letters 上[1]。
图 | 相关论文（来源：Nano Letters）如下图，传统纳米机电开关的结构比较简单，包含可移动电极和固定电极，二者之间通常有空气间隙隔开，以形成电容结构，整体器件尺寸一般在微米或亚微米级。
对该器件加电压后，电容结构充电，电极间即可产生静电吸引。当电压达到导通电压时，源极会产生足够的形变、并与漏极接触，形成电流通路。当去除电压后，在弹性回复力的作用下，产生形变的源极会和漏极分离，从而切断电流通路。
图 | 纳米机电开关典型结构（来源：韩金池）相比传统的金属氧化物半导体（MOS）器件，纳米机电开关具备一些显著优势。首先，采用这种技术的芯片在待机状态下几乎不耗电。当施加电压低于导通电压时，源漏电极之间由气隙隔开，这时无漏电流产生，从而使器件的静态功耗几乎为零。
其次，器件通过源极的机械运动实现阻态的突变，相比依赖载流子导通关断的半导体器件，纳米机电开关的亚阈值摆幅通常低 1~3 个数量级。这也意味着，理论上该器件可在 1~100mV 的电压下工作，从而将动态功耗降低两个数量级以上，相同电量下的电子设备的可持续工作时间将延长一百倍甚至更多。
此外，纳米机电开关特殊的工作机制，使其不易受到电磁辐射干扰，且能在极高温、或极低温环境下正常工作，因而纳米机电开关可用于航天、国防等场合，满足各类恶劣环境下的信息处理和运算需求。
但该技术也有一些明显劣势，这也是限制其发展与推广的瓶颈。其一，虽然理论上纳米机电开关可以在极低电压下完成导通与关断，但由于加工工艺、器件稳定性的限制、以及在纳米尺度下电极间强范德华力作用，器件设计时不得不采用几十甚至几百纳米的开关间隙，这使得相同电压下静电驱动力大幅削弱。
其二，由于开关闭合之后电极间极强的范德华力作用，为了确保开关可以正常关断，需要为源极设计高劲度系数，这导致不得不采用更高的电压使开关导通。目前，纳米机电开关的导通电压通常在 10V 以上，相应电路动态功耗远高于理论极限。
其三，由于开关的导通和关断，依赖电极的机械运动，相比依靠载流子导通关断的半导体器件而言，开关速度的劣势十分明显，开关延迟通常在 100ns 以上，对应的器件工作频率仅为 MHz。
其四，纳米机电开关的可靠性问题也十分凸显。器件可能因材料机械疲劳、磨损、消融或电极粘附而彻底失效。
韩金池通过分析发现，限制纳米机电开关性能的关键瓶颈是无法将电极间隙做小。如果可将电极间隙从 100nm 缩小到 2~3nm，则能把静电驱动力力提高三个数量级以上，从而大幅减小导通电压，同时由于开关行程大幅缩减，开关速度也将得到极大提高。
然而，制备纳米尺度的间隙一直是微纳加工的技术难点。在纳米尺度下，电极间强范德华力作用容易使电极相互吸引粘附，导致纳米间隙塌陷。
从此前报道的研究来看，即便设计出 10nm 以下的开关间隙，并配合高劲度系数的机械结构，也无法避免在若干次开关后出现电极粘附和器件失效，而且这些设计通常还会增大器件尺寸，影响集成密度。
采用自主装分子层作为弹性缓冲层
韩金池给出的解决方案是，采用自组装分子层作为弹性缓冲层，去把电极分隔开。如下图所示，也就是在源漏电极间填充一层由分子构成的小弹簧。
图 | 机电可调制分子隧道结结构（来源：韩金池）据悉，这种分子隧道结结构的电极间距由分子层的厚度决定，可以构造 2~3nm 的开关间隙，这一尺寸的间隙足够确保静态漏电流小到忽略不计。虽然静态下电极间依然存在强范德华力的作用，但分子层受压缩产生回复力，可以支撑纳米级开关间隙不塌陷。
当施加导通电压时，电极间会产生强静电吸引，进一步压缩夹在电极间的分子层。这等于减小了电子需要穿过的势垒的宽度，导致隧穿电流呈指数增长，进而使器件导通。
通常只需将分子层压缩 1nm 左右，即可实现超过 5 个数量级的电流增长。当电压去除后，静电力消失，在分子弹簧的回复力的作用下，电极间隙回归初始状态，器件恢复关断状态。
相比以往的纳米机电开关技术，该设计的优势在于：由于实现了稳定的 2~3nm 开关间隙，极大提高了静电驱动力，降低了器件导通电压；以及开关行程缩小到 1nm 量级，开关延迟大幅缩减；同时，作为电极间的缓冲和隔离层，自组装分子层可避免电极直接接触带来的开关粘附、磨损等问题，从而提高器件的可靠性；此外，器件有效面积由源极尺寸决定，选取纳米材料做源极时，集成度远高于传统纳米机电开关。因此，该工作为突破纳米机电开关技术面临的瓶颈提供了新思路。
分子隧道结纳米机电开关的迭代
当上述想法形成后，韩金池立刻开始着手原理验证工作。他表示，此次要加工的器件属于简单的金属-分子层-金属的隧道结结构。即便器件结构和原理并不复杂，但是现有的微纳加工手段无法满足对加工精度的要求。
要想获得均匀的分子隧道结，电极必须具备原子级别光滑度。为此，他采用了一种利用抛光硅片做衬底的剥离技术以获得光滑电极。具体方法是，在抛光硅片上热蒸镀金电极，随后对硅表面做氟化处理，再将胶涂在样品表面，盖上玻璃衬底。利用紫外线将胶固化后，用刀片将玻璃衬底和硅衬底分离，这样金电极就随着胶转移到玻璃衬底上。这一过程将金电极翻了个面，此时的金电极表面之前与抛光硅片接触，由于硅片通过化学机械抛光后局部通常可达到原子级别光滑度，因而获得的固定电极具备同样的光滑度。随后，韩金池将分子层通过自主装的方式生长在固定电极上。
图 | 加工分子隧道结纳米机电开关（来源：Nano Letters）对于可移动电极的粗糙度问题，他想到的解决方案是采用具备原子级别光滑度的导电纳米材料比如金属纳米颗粒、石墨烯等来作电极。在解决了电极粗糙度的问题后，分子隧道结可以制备的非常均匀，从而提高了器件的一致性和稳定性。
图 | 不同工艺加工的分子隧道结（来源：Nano Letters）从采用热蒸镀的固定电极到剥离的光滑电极，从采用石墨烯移动电极到金纳米线电极，韩金池通过对器件的不断迭代和优化，获得了高性能的纳米机电开关，导通电压只有 2V 左右，同时只有大约 4ns 的开关延迟。
图 | 基于机电可调制分子隧道结的纳米机电开关（来源：Nano Letters）模块化的器件结构
韩金池设计的这种分子隧道结纳米机电开关具备模块化的结构，可以通过组装不同的分子层和移动电极调节器件性能。
韩金池发现，选取不同力学特性的分子层制备的器件，产生的电流电压特性差异巨大，这说明可以通过分子工程的手段调控开关静态特性。而选取多壁碳纳米管替代金纳米线做移动电极，发现导通电压变化不大，但开关速度进一步提高，延迟缩小到一半，这说明通过纳米电极的设计可以调节开关动态响应。
采用碳纳米管电极的器件开关延迟仅为 2ns，速度相比传统微加工技术制备的机电开关提高了两个数量级。由于实验中选取的碳纳米管体积较大，随着电极尺寸进一步缩小，最终有望实现 GHz 的开关频率，从而使纳米机电开关在运算能力上更靠近半导体器件。
通过这部分研究，韩金池证实了这种模块化的器件结构，使得其静态特性与动态特性在设计时可以解耦，可以通过分子工程手段调节电流-电压特性，再通过纳米电极材料的选择和尺寸的缩小来提高响应的速度。
此外，他还花了大量时间研究适用于此类器件的大规模集成工艺。受限于纳米材料的精确定位和大规模组装的困难，大规模集成含纳米材料的电子器件一直以来都是技术难点。
为此，韩金池在纳米电极大规模组装方面，选取生物领域常用的介电泳方法，该方法适用于各类纳米材料，利用电场将材料准确放置于指定电极位置、且不影响纳米材料特性。
通过对已有技术进行优化，他形成了一套适用于各类纳米材料和颗粒比如金纳米颗粒、碳纳米管、硅纳米线等的大规模定位和组装技术，该方法也同样适用于其他含纳米材料的电子器件的组装和大规模集成。
图 | 基于介电泳法的纳米材料的定位与组装（来源：Nano Letters）希望提供一种有别于主流半导体技术的超低功耗逻辑器件与芯片技术
韩金池表示，该研究的初衷是希望提供一种有别于主流半导体技术的超低功耗逻辑器件与芯片技术。采用机电可调制分子隧道结进行器件设计，有效弥补传统纳米机电开关在导通电压和开关速度方面的劣势，未来有可能推动以机电开关为逻辑元件的新型芯片技术的发展，或形成与现有半导体 MOS 器件配合的混合芯片技术，解决在物联网、可穿戴医疗、航天与国防等特定领域的超低功耗信息处理的需求。
除了数字逻辑方面的应用，该成果还可用于分子的力学表征、可调至光学与表面等离激元和环境传感等领域。因此，他更愿意将这项工作看成是一种新型的研究平台，未来会在这些领域开展一些相关工作。
不过他也坦言，目前的技术仍有待改进。具体来说，一方面需要通过分子工程手段优化分子层的力学特性以实现更低的驱动电压，进一步降低动态功耗。另一方面，需要对器件失效机理深入研究，以优化器件结构提高其稳定性。同时，可以探索将纳米线、碳纳米管等材料替换为可微加工的纳米电极，从而进一步简化器件大规模加工工艺，并提高良率水平。
从强电到弱电，从宏观到微观
韩金池是辽宁省辽阳人，生于 1990 年。本硕均毕业于清华电机系，学习电气工程及其自动化专业，研究的方向是面向智能电网的先进传感技术。2015 年-2016 年，他还在国家电网北京电力公司担任工程师，期间参与了通州区配网工程验收与配网自动化改造等工作。
2016 年-2021 年，他在 MIT 电机电子工程与计算机科学技术系攻读博士学位，师从弗拉基米尔·布洛维奇（Vladimir Bulović）教授与杰弗里 H.朗（Jeffrey H. Lang）教授。对微纳电子的强烈兴趣促使他选择进一步学习弱电，并开展智能微系统技术、新型微纳加工工艺的研究和开发。他希望未来不仅可以为国家微纳电子和芯片技术的发展贡献力量，还可以将研究的这些微观尺度的技术应用于像智能电网这样的宏观领域中。
对于本次研究，他补充称这并非以取代现如今主流的半导体 MOS 技术为目的。MOS 技术在运算速度、集成度和成本方面具备优势，因此在消费电子领域应用的芯片未来很长一段时间仍会以 MOS 技术为主。
该工作希望能在不断提高器件性能、工艺和稳定性和基础上，在一些特定应用场合为信息处理提供一些更低功耗的选择。例如，对于特定领域的传感器、执行器或其他智能微系统来说，这些设备可能大部分时间处于待机状态，信息处理方面对运算能力的要求远低于消费电子设备，但对功耗的要求非常严苛。
这时纳米机电开关技术的优势就更为明显，可以几倍甚至几十倍的延长电池的使用时间，减少充电次数，结合一些环境能量捕获技术，甚至可以实现不需充电即可自我维持运行的智能微系统。韩金池表示：“我个人认为，这不仅是一个充满机遇和挑战的研究方向，也是加速智能传感器和微系统在相关领域应用的客观要求。”
