南京大学余林蔚教授课题组在超低工作电压的双向致动纳机电开关的最新研究成果

面向核事故救援、核战场和外太空等极端苛刻的应用场景，现有的电子逻辑和存储器件的耐用性面临着巨大的挑战，尤其是针对其耐辐射和耐高温方面具有极大的需求。对于传统的晶硅场效应晶体管器件（Field-Effect-Transistor, FET）来说，其栅极电介质易因积累辐射损伤或高温(＞250 ℃)而产生热载流子击穿而导致性能下降甚至失效。相对而言，完全依靠机械控制开关状态的纳机电(Nano-Electro-Mechanical, NEM)开关则相对不受高温和强辐射的影响，在诸多恶劣环境下具有优异的鲁棒性，此外，还具有准零漏电流、极低的亚阈值摆幅和极高的电流开关比等优势。使其成为具有代替传统FET器件的理想选择之一。

然而，传统的静电驱动的MEM开关通常需要在较高的工作电压下进行工作（＞10 V），因此，如何降低NEM开关器件的工作电压逐渐受到越来越多的关注。针对于静电驱动方案，主要的措施是缩减气隙间距，而根据现有的研究结果， 5 V以下的电压则必须匹配＜ 30 nm的致动气隙。而这对于微加工工艺而言无疑是十分苛刻的条件，对于平面开关结构，制造极窄的气隙需要借助复杂且昂贵的高精度光刻技术（如电子束光刻、极紫外光刻等）和精密的刻蚀条件。另一种解决方案则是采用平面外开关结构，利用牺牲层刻蚀方案制造出仅4 nm的平面外极窄气隙，从而实现低于1 V的工作电压。然而，极窄的气隙也大大降低了悬臂的弹性势能，从而出现悬臂无法克服范德华力有效分离回弹的不可逆开关失效的问题。

为了应对上述挑战，南京大学余林蔚教授团队提出了一种新型的洛伦兹力驱动的双向驱动平面外结构NEM开关。其由一体成型的单根形貌编程的硅纳米线（Silicon Nanowire， SiNW）构成，该SiNW通过余林蔚课题组自主创新的平面内固-液-固 (In-plane solid-liquid-solid, IPSLS) 方法生长。悬空的纳米线悬臂在矢量洛伦兹力驱动下，可以迅速向下弯曲以接触底部电极使开关导通，也可以向上弯曲从而关断器件。这种可双向驱动的洛伦兹力可以有效地克服纳米线和电极之间的范德华力。这种策略不仅实现了低于0.2 V的超低工作电压，还使用微米级的气隙来确保器件关断状态的稳定性。此设计策略将为构建在恶劣环境下运行的高性能纳机电逻辑器件提供有利条件。