面向核事故救援、核战场和外太空等极端应用环境，现有的电子逻辑和存储器件的耐用性面临着巨大的挑战，尤其在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）而言，其易因栅极电介质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，依靠机械控制开关状态的纳机电（Nanoelectromechanical, NEM）开关则不易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，使其成为在恶劣环境下代替传统FET器件的理想选择。此外，纳机电开关还具有准零漏电流、低亚阈值摆幅和高电流开关比等优势。
然而，传统的静电驱动纳机电开关通常需要较高的工作电压（＞10 V），因此如何降低纳机电开关的工作电压受到了广泛关注。针对于静电驱动方案，主要措施是缩减致动气隙，例如5 V以下的电压则需匹配小于30 nm的致动气隙。对于平面开关结构，制造极窄气隙需要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）和精密的刻蚀工艺。另一种解决方案则采用平面外开关结构，有报道利用牺牲层刻蚀方案制造出仅4 nm的平面外极窄气隙，实现了低于1 V的工作电压。然而，极窄的气隙也大大降低了悬臂的恢复力，从而导致悬臂无法克服范德华力有效回弹的不可逆开关失效。
据麦姆斯咨询报道，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双向致动平面外结构的纳机电开关。其由单根形貌编程的硅纳米线（Silicon Nanowire， SiNW）构成，其通过余林蔚教授团队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，也可以向上拉出从而关断器件。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。
图文解读：
图1：纳米线-纳机电（NW-NEM）开关的设计和工作原理
图2：纳米线-纳机电开关制造与开关操作
图3：纳米线-纳机电开关的结构设计与分析
图4：纳米线-纳机电开关的开关操作测试
图5：纳米线-纳机电开关的动态响应与延迟
该工作以”Lorentz-force-actuated bidirectional nanoelectromechanical switch with ultralow operation voltage”为题发表在期刊《Nano Letter》上。文章第一作者是李典伦、严江，文章通讯作者是余林蔚、王军转。该工作的开展得到了南京大学陈坤基教授、徐骏教授和施毅教授团队的支持和指导，受到国家重点研发计划(92164201)、国家自然科学基金杰出青年学者项目（62325403）以及国家自然科学基金（61934004）的资助。
论文信息：
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
