根据摩尔定律，半导体芯片上集成的晶体管数量每两年就会翻一倍，其能耗也迅速增加。而且传统的硅电子设备在极端环境如高温或辐射条件下，也无法保证运行。为了支持设备升级并降低能耗，研究人员一直在寻找替代技术或混合型技术，其中纳米电机（NEM）交换技术正逐渐显出光明的前景。过去10年来，科学家对开发混合型或独立型的纳米电机设备倾注了极大热情。
据物理学家组织网近日报道，最近，美国西北大学麦考密克工程学院研究了纳米电机领域近10年来取得的进步，详述了各种不成功模式以及克服这些缺点的可能方法，并对该技术的前景、当前面临的主要挑战进行了综合性探讨。相关论文发表在《自然·纳米技术》上。
“纳米电机交换器由纳米结构组成，比如碳纳米管或纳米线，在静电力作用下会发生机械转向，从而连通或断开电极。”该学院制造与企业教授奥拉西奥·埃斯宾诺萨解释说，这种交换器可以设计得像硅晶体管那样工作，既能单独运行，也能制造混合型纳米电机—硅设备，同时满足超低能耗和耐高温辐射环境的需求。
研究人员指出，纳米电机行业面临着一项长期挑战，就是要造出百万级的碳纳米管阵列，这是进一步制造纳米电机设备所必需的，而现代硅电子设备能在一块芯片上做出数十亿的晶体管。他们在论文中详述了到目前为止生产纳米阵列的多种方法，以及实现大规模生产纳米电机—集成电路芯片混合型设备的途径。
此外，要让单独的纳米电机可靠运转数百万次极为困难，但这却是消费性电子产品所必需的。“如果给纳米电机设备使用普通的金属电极，交换器启动后转不到10次就会停下来。”论文合著者、西北大学博士生欧文·罗说。
他表示，解决方法很简单，只要用一种导电的、类似于钻石的碳薄膜替换金属电极，就能大大提高设备对转数的承受能力。目前的转数已超过100万次，这一改进是推动纳米电机设备进入现实的关键一步。这种新材料由西北大学、桑迪亚国家实验室集成纳米技术中心、阿尔贡国家实验室纳米材料中心合作研究，相关论文已发表在《先进材料》杂志上。
从大型服务器到汽车、手机，传统的硅基集成电路得到广泛应用，这离不开半导体工业数十年来的持续升级。埃斯宾诺萨还指出，新材料的选择将大大提高下一代纳米电机设备的坚固性和稳定性，推动电子产业规模继续升级，为各行各业服务。无论是混合型还是独立式，都需要来自工程、基础科学和材料科学领域的推动力。
