面向核事故救援、核戰場和外太空等極端應用環境，現有的電子邏輯和存儲器件的耐用性面臨著巨大的挑戰，尤其在其耐輻射和耐高溫方面具有極大的需求。對于傳統的晶硅場效應晶體管器件（Field-Effect-Transistor, FET）而言，其易因柵極電介質積累輻射損傷或高溫（＞250 ℃）而產生熱載流子擊穿而導致性能下降甚至失效。相對而言，依靠機械控制開關狀態的納機電（Nanoelectromechanical, NEM）開關則不易受高溫和強輻射的影響，在諸多惡劣環境下具有優異的魯棒性，使其成為在惡劣環境下代替傳統FET器件的理想選擇。此外，納機電開關還具有準零漏電流、低亞閾值擺幅和高電流開關比等優勢。
然而，傳統的靜電驅動納機電開關通常需要較高的工作電壓（＞10 V），因此如何降低納機電開關的工作電壓受到了廣泛關注。針對于靜電驅動方案，主要措施是縮減致動氣隙，例如5 V以下的電壓則需匹配小于30 nm的致動氣隙。對于平面開關結構，制造極窄氣隙需要復雜且昂貴的高精度光刻技術（如電子束光刻、極紫外光刻等）和精密的刻蝕工藝。另一種解決方案則采用平面外開關結構，有報道利用犧牲層刻蝕方案制造出僅4 nm的平面外極窄氣隙，實現了低于1 V的工作電壓。然而，極窄的氣隙也大大降低了懸臂的恢復力，從而導致懸臂無法克服范德華力有效回彈的不可逆開關失效。
據麥姆斯咨詢報道，為了應對上述挑戰，南京大學余林蔚教授團隊提出了一種新型的洛倫茲力雙向致動平面外結構的納機電開關。其由單根形貌編程的硅納米線（Silicon Nanowire， SiNW）構成，其通過余林蔚教授團隊自主創新的平面內固-液-固（In-plane solid-liquid-solid, IPSLS）方法生長。懸空的納米線懸臂在矢量洛倫茲力驅動下，可以迅速向下彎曲以接觸底部電極使開關導通，也可以向上拉出從而關斷器件。這種策略不僅實現了低于0.2 V的超低工作電壓，還使用微米級的氣隙來確保器件關斷狀態的穩定性。此設計策略將為構建在惡劣環境下運行的高性能納機電邏輯器件提供有利條件。
圖文解讀：
圖1：納米線-納機電（NW-NEM）開關的設計和工作原理
圖2：納米線-納機電開關制造與開關操作
圖3：納米線-納機電開關的結構設計與分析
圖4：納米線-納機電開關的開關操作測試
圖5：納米線-納機電開關的動態響應與延遲
該工作以”Lorentz-force-actuated bidirectional nanoelectromechanical switch with ultralow operation voltage”為題發表在期刊《Nano Letter》上。文章第一作者是李典倫、嚴江，文章通訊作者是余林蔚、王軍轉。該工作的開展得到了南京大學陳坤基教授、徐駿教授和施毅教授團隊的支持和指導，受到國家重點研發計劃(92164201)、國家自然科學基金杰出青年學者項目（62325403）以及國家自然科學基金（61934004）的資助。
論文信息：
Lorentz Force-Actuated Bidirectional Nanoelectromechanical Switch with an Ultralow Operation Voltage. Dianlun Li, Jiang Yan, Ying Zhang, Junzhuan Wang*, Linwei Yu*.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c01999
