Integration of silicon nanowires with 3D devices: Fabrication and modeling

Bir çok nanoelektromekanik sistemin temel yapıtaşlarından birisi olan silisyum nanoteller, algılayıcı ve elektronik cihazlarda kullanım alanı bulmaktadır. Silisyum nanotellerin modern elektronik cihazlarda daha kapsamlı kullanımının önündeki engellerden birisi, üç boyutlu tümleşik devreler ve mikroelektromekanik sistemler gibi yüksek mertebeli mimariler ile birleştirilme meselesidir. Bu kapsamda silisyum nanotellerin mikron boyutlu yapılarla yekpare şekilde tümleştirilmesi, yarı iletken üretimi ilişkili olarak önerilen halihazırdaki tekniklerin seri imalat eksikliğini gidermeyi amaçlamaktadır. Bu çalışmada, yüksek çözünürlüklü litografi ve derin aşındırma teknolojileri yoluyla silisyum nanotellerin 40 m derinliğine kadar silisyum alttaşı ile yekpare birleştirilebildiği gösterilmiştir. Bu teknik, sığa değişimine bağlı yerdeğiştirme algılayıcılarının yerinin silisyum nanotel tabanlı, yüksek çözünürlüklü piezorezistif sistemlere bırakabilme olanağına imkan vermektedir. Piezorezistif algılayıcıların boyutlarının bu şekilde yekpare küçültme yaklaşımı, elektrostatik bir eyleyici ile mikromekanik bir yükselticinin arasına tek bir silisyum nanotel köprü kurulması yoluyla gösterilmiştir. Piezoresistif silisyum tel tabanlı elektromekanik çınlaçların üç boyutlu cihazlara benzer bir katkısı frekans indirgeme yöntemi ile başarılmıştır. Bahsedilen çok ölçekli tümleştirme yöntemi seri üretime uygun bir şekilde gerçekleştirildiğinden, küçültülülmüş piezorezistif yapı tabanlı fiziksel ve biyolojik algılayıcı teknolojileri için önemli olası sonuçlar taşımaktadır. Tümleştirme zorluklarına ilaveten silisyum nanotellerin fiziksel algılayıcı alanında tam anlamıyla kullanımı halen gerçekleştirmemiştir. Ölçeğe bağlı taşınım özelliklerini içeren nanotel tasarımının dayandırılacağı mekanik modelleme geliştirlmesi halen ana zorluklardan birisidir. Yüzey gerilmesi, nanotelin ölçeğe bağlı mekanik özellikleri için ana bir etki olarak değerlendirlmektedir. Bu sebeple, mekanik modelleme konusunda sağlam bir kılavuz geliştirilmesi bu tür özgün mimarilerin başarılı mühendislik tasarımının gerçekleştirilmesini sağlayabilir. Bu çalışmada, mevcut analitik ve sayısal yöntemleri karşılaştırarak eğilmeye dayalı çalışan nanotel çınlaçların frekans davranışının modellenmesinde kullanılacak en uygun mühendislik aletini seçmeye yarayan bir kılavuz geliştirilmiştir. Yüzey gerilmesi katkısını içeren termomekanik nanotel davranışının analizinde halihazırdaki tekniklerin hesaplama maliyetleri sebebiyle kısıtlı kullanımları standart Cauchy-Born teorisinde sıcaklığa bağlı atomlar arası potansiyellerin kullanımı ile giderilmiştir. Bu kapsamda kristal yönelimi ve geometriye dayalı değişkenlerin kapsamlı incelenmesi, yüzey gerilmesinin silisyum nanotel mekanik davranışı konusunda oynadığı role ışık tutabilir. Bu tür bir inceleme, atomik seviyedeki yerel yüzey gerilmelerinin sürekli ortamın genel davranış ile bağdaştırılması sayesinde mümkün olmuştur. Yüzey gerilmesinin nanotel mekanik özelliklere katkısı konusundaki mevcut ihtilafları hedef alan bu çalışmadaki sonuçlar mevcut ve gelecekte geliştirilecek deneysel araştırmaların yorumunda kılavuz görevi görebilir.