Carbon nanotube nanoelectromechanical systems

Abstract

Desde su descubrimiento los nanotubos de carbono han llamado la atención por sus propiedades únicas. Se esperaba que los nanotubos revolucionaran nuestra tecnología y en parte lo han logrado siendo un material importante para diversas aplicaciones en electrónica y optoelectrónica. Los nanotubos de carbono pueden reemplazar al silicio en sistemas electro‐mecánicas en nano escala (nano‐electromechanical systems NEMS). En esta tesis se presentan varios tipos de NEMS que se han realizado, con diferentes resultados en cada una. En primeros capítulos, se presenta el resonador electro‐mecánico basado en nanotubos. Al reducir la longitud del nanotubo hasta los 100 nm se pudo obtener una frecuencia de resonancia de varios GHz. Este tipo de dispositivos puede ser integrado en las tecnologías recientes de giga‐hertz ofreciendo también la posibilidad de detección de masa con resolución atómica. También los dispositivos basados en los nanotubos multi‐pared aunque operan en las frecuencias mas bajas (de mega‐hertz) pueden operar en las frecuencias pre‐determinadas, calculadas con la teoría de vigas elásticas. La segunda parte de la tesis está dedicada a los nanomotores de nanotubos de carbono. En contrario, la realización de nanomotores es mucho más complicada. A pesar de que en un principio los primeros resultados fueron prometedores, estas estructuras siguen siendo difíciles de fabricar. Todavía no tenemos control sobre la chiralidad de los nanotubos y en su manipulación en nano‐escala permanece el desafío. Para realizar dispositivos operacionales hay que entender mejor las fuerzas que existen a nano‐escala y como aprovecharlas. Así mismo también es posible la integración de nanotubos de carbón con estructuras existentes micro‐fabricadas de silicio, aunque todavía necesita más trabajo. Caso contrario a la integración con grafeno, la cual parece relativamente fácil, siendo este un paso hacia la electrónica de carbono. Todos estos temas forman parte importante de la investigación de NEMS. Sin embargo, estos sistemas van a contribuir para futuros descubrimientos importantes.

Since the discovery of carbon nanotubes high hopes were placed on their possible applications. They were expected to revolutionize our technology and indeed, CNTs have proven to be a good material for applications in electronics, such as channels in field effect transistor and optoelectronic devices. In order to realize future nanotube electronic and electro‐mechanical systems, it is not only necessary to thoroughly understand the underlying physical phenomena of both single as multi‐walled carbon nanotubes (MWNTs), but also to be able to fabricate devices possessing the desirable qualities. Many efforts of this work were dedicated to nanotube manipulation and nanofabrication in order to integrate carbon nanotubes in current fabrication processes and achieve novel type of devices. The device fabrication is described in the Annex A. In the thesis various attempts to experimental realization of CNT‐based nano‐electromechanical systems are shown. Typically, the CNT devices presented later in this thesis operate in so‐called transistor geometry, which is why it is important to understand principles of operations of CNTFETs, explained above in Chapter 1. Then, Chapter 2 brings a short introduction to structural and electronic properties of CNTs and graphene, ways of synthesis and methods used for characterization. The Chapter 3 is an introduction to micro and nanoelectromechanical systems, focusing carbon nanotube resonators and motors. In the second part of the thesis carbon nanotube resonators are studied. To perform the measurements the so‐called mixing technique was used, explained in Annex B. In Chapter 4 a giga‐hertz operation frequency resonator based on ultra‐short SWNT is presented. Also influence of nanotube length and temperature on the resonator frequency and principles of mass sensing are discussed. In Chapter 5 MWNT resonators of different diameters are measured with emphasis of frequency as a function of a number of shells. The number of shells can be reduced using the electrical breakdown technique and the MWNT resonator eigenmodes can be approximated using the elastic beam theory, which is in details explained in the Annex C. The third part of the thesis is dedicated to carbon nanotube motors. First of all, in Chapter 6 different approaches to fabricating micro‐scale heaters are presented in order to realize controlled thermal gradient motor. Suspended micro‐heaters based on platinum and gold are presented, as well as non‐suspended heaters based on highly‐doped silicon. In Chapter 7, a novel type of graphene‐based heating is shown. For all types of heaters fabrication, characterization and integration with CNT motor is discussed. Finally, in Chapter 8 an intention of realization of CNT electron windmill is presented.