NEMS (singkatan dari NanoElectroMechanical System) adalah perangkat yang mengintegrasikan fungsionalitas listrik dan mekanik pada skala nano, yaitu pada atau di bawah 100 nanometer.
Mereka adalah miniaturisasi tingkat lanjut setelah MEMS (MicroElectroMechanical System) yang biasanya menangani komponen berukuran antara 1 dan 100 nanometer.
NEMS memiliki beberapa atribut yang menarik. Ini dapat memberikan akses ke frekuensi dasar dalam rentang gelombang mikro, sensitivitas gaya pada tingkat attonewton, kapasitas panas jauh di bawah yoktokalori, massa aktif dalam rentang femtogram, sensitivitas massa pada tingkat molekul individu — daftarnya terus berlanjut.
NEMS sebagian besar berisi peralatan seperti aktuator, sensor, resonator, balok, sensor, dan motor. Komponen-komponen ini mengubah satu bentuk energi menjadi energi lain, yang kemudian dapat dengan mudah diukur dan digunakan.
NEMS pertama dibangun oleh Dawon Kahng dan Mohamed M. Atalla di Bell Labs pada tahun 1960. Itu adalah MOSFET (transistor efek medan semikonduktor oksida logam) dengan ketebalan gerbang oksida 100 nm.
Dua tahun kemudian, mereka berhasil membuat transistor sambungan semikonduktor-logam berbasis nanolayer yang berisi film emas dengan ketebalan 10 nm. Namun, MOSFET pertama dengan oksida gerbang 10 nm baru muncul pada tahun 1987.
Sebuah ilustrasi MOSFET, menunjukkan terminal body (B), source (S), gate (G), dan drain (D).
Penemuan MOSFET Multi-gerbang pada tahun 1989 memungkinkan beberapa perusahaan, termasuk Intel, IBM, AMD, dan Samsung Electronics, untuk membuat mikroprosesor dan sel memori yang semakin kecil.
Proses VLSI (integrasi skala sangat besar) memungkinkan untuk menggabungkan jutaan transistor MOS pada satu chip. Sirkuit terpadu ini diadopsi secara luas pada tahun 1970-an, memungkinkan semikonduktor yang kompleks dan teknik komunikasi untuk dikembangkan.
CPU, GPU, RAM, ROM, dan logika lem lainnya semuanya adalah perangkat VLSI. Sebelum penemuan proses VLSI, sebagian besar sirkuit terintegrasi hanya dapat melakukan sejumlah tugas terbatas.
80486 mikroprosesor (dari tahun 1990-an) dengan lebih dari satu juta transistor
MOSFET sekarang dianggap sebagai blok bangunan dasar elektronik modern. Ini telah bertanggung jawab besar untuk meningkatkan kepadatan transistor, meningkatkan kinerja, dan mengurangi konsumsi daya sirkuit terpadu sejak tahun 1960-an.
MOSFET juga merupakan salah satu perangkat yang paling banyak diproduksi dalam sejarah. Pada 2018, sekitar 13 sextillion (atau 13 ribu triliun) MOSFET diproduksi.
NEMS dapat dibuat menggunakan dua pendekatan yang saling melengkapi:
Pendekatan dari atas ke bawah: Ini menggunakan teknik mikrofabrikasi konvensional, seperti litografi berkas elektron atau optik dan perawatan termal, untuk membangun perangkat. Meskipun memberikan kontrol yang lebih besar atas struktur yang dihasilkan, itu dibatasi oleh resolusi teknik yang digunakan.
Dalam pendekatan ini, bahan awal adalah struktur yang relatif besar seperti kristal silikon. Umumnya, lapisan semikonduktor tergores atau film tipis metalik digunakan untuk membuat perangkat NEMS seperti batang nano, kawat nano, dan struktur nano berpola.
Dalam beberapa kasus, material besar dihancurkan hingga skala nanometer untuk meningkatkan rasio luas permukaan terhadap volume, yang pada akhirnya meningkatkan reaktivitas material nano. Proses pembuatan nanotube karbon menggunakan grafit dalam oven busur adalah contoh sempurna pendekatan top-down.
Pendekatan dari bawah ke atas: Ini menggunakan karakteristik kimia molekul untuk mengatur atau merakitnya dalam konformasi yang diinginkan. Pendekatan ini bergantung pada konsep pengenalan molekul (interaksi spesifik antara dua atau lebih molekul) atau perakitan mandiri molekul (tanpa arah eksternal).
Meskipun memberikan kontrol terbatas atas proses fabrikasi, seseorang dapat membangun struktur yang jauh lebih kecil tanpa membuang banyak material dibandingkan dengan pendekatan top-down.
Pendekatan bottom-up juga dapat ditemukan di alam. Misalnya, sistem biologis mengeksploitasi kekuatan kimia untuk menghasilkan struktur sel yang diperlukan untuk kehidupan. Para peneliti mencoba meniru perilaku alam ini untuk membuat kelompok atom tertentu yang dapat berkumpul sendiri menjadi beberapa struktur yang berguna.
Salah satu contoh yang baik dari pendekatan tersebut adalah pembuatan nanotube karbon menggunakan teknik polimerisasi katalis logam.
1. Polidimetilsiloksan
Polydimethylsiloxane adalah polimer organik berbasis silikon yang paling banyak digunakan. Elastomer silikon ini dikenal karena sifatnya yang unik. Stabil secara termal, lembam secara kimia, dapat dikonfigurasi secara mekanis, jernih secara optik, dan secara umum, tidak beracun, lembam, dan tidak mudah terbakar.
Karena dapat membentuk segel rapat dengan silikon, ia dapat diintegrasikan ke dalam NEMS, mengonfigurasi karakteristik listrik dan mekanik. Kekuatan perekat polidimetilsiloxane bekerja lebih baik di bawah berbagai lingkungan lembab dan memiliki koefisien gesekan yang lebih rendah dibandingkan dengan silikon.
Koefisien gesekan rendah dan hidrofobisitas Polydimethylsiloxane menjadikannya bahan yang sempurna untuk dimasukkan dalam penelitian NEMS. Ini juga mendapatkan perhatian dalam teknologi NEMS karena pembuatannya yang hemat waktu dan murah.
Studi menunjukkan bahwa tingkat degradasi polydimethylsiloxane dalam cahaya, panas, dan radiasi dapat diperlambat dengan pengemasan yang tepat dan stabilitas penuaan yang baik.
2. Bahan berbasis karbon
Sebuah foto mikroskop penerowongan pemindaian dari tabung nano karbon berdinding tunggal | Kredit:NIST
Alotrop karbon, khususnya graphene dan karbon nanotube, banyak digunakan dalam teknologi NEMS. Karakteristik mereka secara langsung memenuhi persyaratan NEMS. Misalnya, konduktivitas semikonduktor dan logam dari alotrop karbon memungkinkan mereka untuk beroperasi sebagai transistor.
Selain keuntungan mekanis alotrop karbon, sifat listrik graphene dan nanotube karbon memungkinkan mereka untuk digunakan dalam beberapa komponen NEMS. Kekuatan fisik graphene dan carbon nanotube memenuhi tuntutan stres yang lebih tinggi. Dengan demikian, mereka banyak digunakan dalam pengembangan teknologi NEMS.
Sementara Graphene NEMS dapat beroperasi sebagai sensor massa dan gaya, NEMS karbon nanotube telah banyak digunakan dalam nanomotor (yang menghasilkan gaya dalam urutan piconewton), sakelar, dan osilator frekuensi tinggi.
3. Mesin biologis
Ilustrasi robot nano penangkal kanker
Mesin biologis, seperti myosin (menangani kontraksi otot), adalah mesin makromolekul paling kompleks yang ditemukan di dalam sel, biasanya dalam bentuk kompleks multi-protein.
Beberapa dari mereka bertanggung jawab untuk produksi energi dan beberapa untuk ekspresi gen. Mereka mungkin memainkan peran penting dalam pengobatan nano. Misalnya, mereka dapat digunakan untuk mendeteksi dan menghancurkan sel tumor.
Nanoteknologi molekuler adalah bidang baru dari nanoteknologi yang mengeksplorasi kemungkinan mesin biologis rekayasa, yang dapat mengatur ulang materi pada skala atom. BioNEMS mencakup elemen struktural biologis dan sintetis (berukuran nano) untuk aplikasi biomedis/robot. Nanorobots, misalnya, dapat disuntikkan ke dalam tubuh untuk mengidentifikasi dan memperbaiki infeksi.
Sementara elemen BioNEMS yang diusulkan, seperti robot nano dan perakit molekul, jauh melampaui kemampuan saat ini, beberapa penelitian telah memberikan hasil yang menjanjikan untuk aplikasi masa depan.
Baca:Nanorobot DNA Terprogram Dapat Mengurangi Tumor
NEMS berfungsi sebagai teknologi yang memungkinkan, menggabungkan ilmu kehidupan dengan teknik dengan cara yang saat ini tidak layak dilakukan dengan teknik skala mikro. Ini akan berdampak signifikan pada berbagai industri:
Industri Semikonduktor: Perangkat semikonduktor yang paling banyak digunakan adalah MOSFET. Ini menyumbang 99,9% dari semua transistor. Mempertimbangkan panjang gerbang transistor dalam perangkat CPU atau DRAM, skala panjang kritis sirkuit terpadu sudah di bawah 50 nanometer. MOSFET silikon terbaru didasarkan pada transistor efek medan sirip yang menggunakan proses 10 nm dan 7 nm.
Otomotif: Nanomaterials, seperti nanosheets, nanofibers nanotubes, nanowires, dan nanorods, menawarkan beberapa manfaat di sektor otomotif. Misalnya, aditif nano dapat meningkatkan masa pakai ban secara signifikan, serta ketahanan abrasi, ketahanan gelinding, dan traksi basah. NEMS juga merupakan kunci untuk meningkatkan kinerja sel bahan bakar mobil bertenaga hidrogen generasi mendatang.
Komunikasi: Karena sifat mekanik yang unik (yang memungkinkan frekuensi resonansi tinggi dan tunabilitas frekuensi tinggi), resonator NEMS, termasuk resonator graphene, memberikan dasar yang menjanjikan untuk sistem komunikasi ultracepat di masa depan. Namun, sebagian besar perkembangan di bidang ini saat ini terbatas pada model teoretis, simulasi, dan eksperimen lab.
Elekde graphene untuk resonator NEMS piezoelektrik | Kredit gambar:Universitas Northeastern
Sektor Medis: Sensor NEMS mendeteksi dan memantau data pasien seperti kadar air, kadar glukosa, dan keberadaan berbagai protein dan ion. Sensor ini dapat dikonfigurasi untuk mengidentifikasi protein tertentu mulai dari albumin manusia hingga beta-2-mikroglobulin. Selain memantau, mereka dapat memisahkan sel dengan ukuran berbeda, mencegah penyumbatan dalam sistem mikofluida.
Penyimpanan dan Produksi Energi: Nanoteknologi sangat menjanjikan untuk meningkatkan masa pakai dan kinerja baterai lithium-ion. Ini juga berpotensi meningkatkan kepadatan daya, mempersingkat waktu pengisian ulang, serta mengurangi berat dan ukuran sekaligus meningkatkan stabilitas dan keamanan baterai.
Selanjutnya, penelitian sedang berlangsung untuk menggunakan perangkat elektrokimia skala nano, seperti sel galvanik atau bahan bakar, untuk menghasilkan energi. Mereka adalah generator bio-nano yang menarik daya dari glukosa darah dalam tubuh yang hidup (dengan cara yang sama tubuh menghasilkan energi dari makanan).
Ada juga penelitian terhadap beberapa bahan berstruktur nano, terutama kawat nano, dengan tujuan untuk mengembangkan sel surya yang lebih efisien dan murah daripada yang mungkin dilakukan dengan sel surya silikon planar tradisional.
Pasar perangkat NEMS saat ini masih dalam masa pertumbuhan. Ini tersegmentasi menjadi nanotweezer, nanoresonator, giroskop, nanosensor, nanorobot, nanotweezer, dan komponen kecil lainnya.
Diharapkan untuk melihat pertumbuhan yang kuat di tahun-tahun mendatang, yang dikaitkan dengan manfaat NEMS, seperti frekuensi resonansi yang tinggi, konsumsi energi yang rendah, beberapa frekuensi pada chip tunggal, dan pengurangan ukuran dan biaya sirkuit terpadu.
Baca: Apa itu MEMS (MicroElectroMechanical System)? Jenis &Aplikasi
Penelitian dan pengembangan di bidang nanomaterial dan nanoteknologi sedang berlangsung. Menurut laporan, pasar NEMS global diperkirakan akan tumbuh pada CAGR sebesar 29%. Ini akan mencapai $108,88 juta pada tahun 2022, dengan Amerika Utara memimpin pasar.
MEMS (Sistem Mikroelektromekanis) terdiri dari komponen yang ukurannya berkisar dari 1 m hingga 100 m. Perangkat MEMS biasanya berisi unit pemrosesan pusat (seperti mikroprosesor) dan beberapa komponen yang berinteraksi dengan lingkungan (seperti mikrosensor).
NEMS (Nanoelectromechanical systems), di sisi lain, adalah langkah miniaturisasi logis berikutnya dari MEMS. Perangkat ini mengintegrasikan fungsionalitas mekanik dan listrik pada skala nano, antara 1 dan 100 nm.
NEMS memiliki sifat yang unik dan menarik, yang sangat berbeda dari MEMS pendahulunya. Misalnya, mereka dapat memiliki
Baca: 14 Penggunaan Nanoteknologi yang Belum Diketahui | Manfaat dan Aplikasi
Nanosensor terbuat dari bahan nano satu dimensi seperti tabung nano dan kawat nano.
Perangkat kecil ini mengukur karakteristik fisik seperti volume, konsentrasi, suhu, tekanan, atau gaya listrik dan magnet. Pembacaan nanosensor yang paling umum mencakup mekanis, getaran, optik, atau elektromagnetik.
Teknologi Industri
Hampir semua jenis industri mendapat manfaat dari pelacakan aset bukan hanya karena mencegah pencurian, kehilangan, dan kerusakan, tetapi karena aset terdiri dari persentase kepemilikan perusahaan yang sedemikian besar sehingga pengelolaan aset sangat penting untuk memenuhi kepatuhan dan peraturan s
Apa itu binder jetting? Pada tahun 1993, Massachusetts Institute of Technology mengembangkan bentuk pencetakan 3D Inkjet-in-powder-bed ini untuk mencetak bagian-bagian kompleks dari berbagai bahan. Saat ini, ada aplikasi pengaliran pengikat di beberapa industri, dan Anda dapat membuat semuanya mulai
Apa itu overmolding? Overmolding adalah proses pencetakan injeksi multi-shot yang menghasilkan satu produk dari dua atau lebih termoplastik yang berbeda. Tembakan pertama disebut substrat, yang biasanya lebih kaku dari dua bahan yang digunakan dan dirancang untuk menerima bidikan berikutnya, atau o
Polypropylene adalah resin polimer termoplastik yang dapat dengan mudah dikombinasikan dengan komposit lainnya. Bahan ini sangat populer di kalangan insinyur, terutama untuk cetakan injeksi, karena sangat tahan lama dan cocok untuk berbagai kasus penggunaan. Aplikasi umum termasuk engsel hidup, snap
