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전기기계 디바이스{ELECTROMECHANICAL DEVICE}
본 명세서에 설명되는 양태들은 전기기계 디바이스들, 그 기능들, 용도들 및 제조에 관한 것이다.
소비자 가전이 증가하면서, 디지털 가전이 더욱 효율적이 될 필요성이 증가하고 있다. 예를 들어, 전자 디바이스들은 사용함에 따라 온도 변화로 인한 에너지 손실 및 변동이 감소될 것이 요망된다. 전자 디바이스들은 수많은 전기적으로 작동되는 스위치들(예컨대, MOSFET들, MEMS)뿐만 아니라 전하를 전송하고 저장하는 스위치들 사이의 다른 전기 구성요소들, 예를 들어 와이어들 및 커패시터들을 포함한다. 사용 동안, 이들 전자 디바이스들과 연관되는 와이어들 및 커패시터들은 큰 작동 전압들의 인가로 인해 부분적으로, 계속해서 방전되고 재충전되어, 전체적인 에너지 소산 및 손실을 야기한다. 또한, MOSFET들 또는 MEMS가 스위치 오프될 때, 트랜지스터 내부에 잔여분으로서 누설 전류가 전형적으로 존재하여, 추가적인 에너지 손실을 야기한다.
본 개시내용은 전자 스위칭 요소들로서 사용될 수도 있는 전기기계 디바이스들에 관한 것이다. 이러한 디바이스들은 전극들 사이에 비교적 저전압의 인가로 인해 개방 스위치 위치와 폐쇄 스위치 위치 사이에서 작동될 수도 있다. 몇몇 실시형태들에서, 폐쇄 스위치 위치에 있을 때, 전극들 사이의 직접 접촉을 통해서가 아니라 터널링 현상을 통해 하나의 전극으로부터 다른 전극으로 전자들이 흐를 수도 있다. 이러한 디바이스들은 또한 개방 스위치 위치에 놓일 때, 만약에 있다면, 비교적 낮은 누설 전류를 나타낼 수도 있다. 예를 들어, 본 개시내용에 따른 전기기계 디바이스들은 각자의 개방 스위치 위치와 폐쇄 스위치 위치 사이에서 작동될 수 있는 2개의 전극을 포함할 수 있다. 개방 스위치 위치("오프" 상태)에 있을 때, 전극들 사이에 거의 내지는 전혀 전류가 흐르지 않도록 전극들은 서로로부터 특정한 거리로 이격되어 있을 수도 있다. 폐쇄 스위치 위치("온" 상태)에 있을 때, 전극들 사이에 적합한 전류(예컨대, 터널링 전류)가 흐르도록 전극들은 서로 비교적 더 가깝게 이격되어 있을 수도 있다. 몇몇 실시형태들에서, 폐쇄 스위치 위치에 있을 때 전극들 사이에 흐르는 전류는 개방 스위치 위치에 있을 때 전극들 사이에 흐르는 전류보다 10 6 배 이상 더 크다. 몇몇 실시형태들에서, 전극들 사이에 탄성 변형가능 층(elastically deformable layer)이 배치될 수도 있다. 이 층은 적합한 작동 전압 및/또는 힘이 전극들에 인가될 때 압착(squeezed)되거나 또는 다른 방식으로 압축(compressed)될 수도 있다. 전극들이 서로를 향한 상대 이동을 나타내도록 적절히 작동되어, 폐쇄 스위치 위치에 도달할 때, 전극들을 통해서 전류가 흐를 수 있게 된다. 그래도, "온" 상태에 있음에도 불구하고, 탄성 변형가능 층은 또한 전극들이 서로 접촉하는 것을 방지한다. 몇몇 실시형태들에서, 이러한 탄성 변형가능 층은 전기 전도성 재료(electrically conductive material)를 실질적으로 포함하지 않을 수도 있다. 작동 전압 및/또는 힘의 적합한 해제 시에, 탄성 변형가능 층은 디바이스를 "오프" 상태로 다시 복귀시키도록 전극들에 복원력을 제공할 수도 있다. 몇몇 실시형태들에서, 전극들 사이에 적합한 작동 전위차(예컨대, 용도에 따라, 약 10.0 V 미만, 약 5.0 V 미만, 또는 약 1.0 V 미만)의 인가 시에, 디바이스는 구성을 개방 스위치 위치로부터 폐쇄 스위치 위치로 변경할 수도 있다. 예를 들어, 이러한 작동 전위를 인가하는 것은 전극들 사이에 정전기적 인력(electrostatic attractive force)을 일으켜서, 전극들의 서로를 향한 상대 이동을 야기할 수도 있다. 이러한 이동은 전극들 사이에 배치된 탄성 변형가능 층의 압축을 초래할 수도 있다. 전극들이 서로 접촉하지 않고서도 서로 충분히 근접하게 될 때, 전극들 사이에 적합한 터널링 전류가 흐를 수도 있다. 예시적인 실시형태에서는, 전기기계 디바이스가 제공된다. 이 디바이스는 제1 전극; 제1 전극으로부터 이격된 제2 전극; 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되고, 전기 전도성 재료를 실질적으로 포함하지 않는 탄성 변형가능 층을 포함한다. 다른 예시적인 실시형태에서는, 전기기계 디바이스가 제공된다. 이 디바이스는 제1 전극; 제1 전극으로부터 20 nm 미만으로 이격된 제2 전극; 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되고, 비-전기 전도성 재료(non-electrically conductive material)를 포함하는 탄성 변형가능 층을 포함한다. 또 다른 예시적인 실시형태에서는, 전기기계 디바이스가 제공된다. 이 디바이스는 제1 전극; 제1 전극으로부터 이격된 제2 전극; 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 탄성 변형가능 재료를 포함하고, 전극들은 제1 전극과 제2 전극 사이에 1.0 V 이하의 전위차의 인가 시에, 전위차가 전극들의 상대 위치를 개방 스위치 위치로부터 폐쇄 스위치 위치로 변화하게 하도록 구성되고 배열된다. 다른 예시적인 실시형태에서는, 전기기계 디바이스가 제공된다. 이 디바이스는 제1 전극; 제1 전극으로부터 이격된 제2 전극; 및 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 탄성 변형가능 재료를 포함하고, 전극들은 탄성 변형가능 재료의 압축 시에, 압축이 제1 전극 및 제2 전극을 개방 스위치 위치로부터 폐쇄 스위치 위치로 이동하게 하도록 구성되고 배열되고, 폐쇄 스위치 위치에 있는 동안 전극들 사이에 흐르는 직접 터널링 전류는 개방 스위치 위치에 있는 동안 전극들 사이에 흐르는 직접 터널링 전류보다 적어도 10 6 배 더 크다. 다른 예시적인 실시형태에서는, 전기기계 디바이스의 동작 방법이 제공된다. 이 방법은 제1 전극과 제2 전극 사이의 직접 터널링 전류를 포함하는 폐쇄 스위치 위치를 야기하기 위해 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 탄성 변형가능 층을 압축하는 단계; 및 제1 전극과 제2 전극 사이의 직접 터널링 전류를 포함하는 개방 스위치 위치를 야기하기 위해 탄성 변형가능 층으로부터 압력을 해제하는 단계를 포함하고, 폐쇄 스위치 위치에 있는 동안 전극들 사이에 흐르는 직접 터널링 전류는 개방 스위치 위치에 있는 동안 전극들 사이에 흐르는 직접 터널링 전류보다 적어도 10 6 배 더 크다. 다른 예시적인 실시형태에서는, 전기기계 디바이스의 제조 방법이 제공된다. 이 방법은 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 제1 전극에 인접하여, 전기 전도성 재료를 실질적으로 포함하지 않는 탄성 변형가능 층을 피착하는(depositing) 단계; 및 제1 전극으로부터 이격된 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다. 본 발명의 다른 이점들 및 신규한 특징들은 첨부 도면들 및 청구범위와 함께 고려될 때 다양한 비제한적인 실시형태들의 하기 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
다양한 첨부 도면들은 일정한 비율로 묘사되도록 의도되지 않았다. 명료함을 위해, 모든 도면에서 모든 구성요소가 라벨링되어 있지 않을 수도 있다. 도면들에서:
도 1은 폐쇄 스위치 위치와 개방 스위치 위치 사이에서 작동되는 전기기계 디바이스를 도시하고;
도 2 내지 도 4는 몇몇 실시형태들에 따라 폐쇄 스위치 위치와 개방 스위치 위치 사이에서 작동되는 다양한 전기기계 디바이스를 나타내고;
도 5 내지 도 7은 몇몇 실시형태들에 따른 다양한 전기기계 디바이스들을 예시하고;
도 8은 몇몇 실시형태들에 따른 전기기계 디바이스의 현미경 사진을 도시하고;
도 9 내지 도 15는 몇몇 실시형태들에 따른 다른 전기기계 디바이스를 도시하고;
도 16 내지 도 19는 몇몇 실시형태들에 따른 전기기계 디바이스들에서 채용될 수도 있는 다양한 재료들을 도시하고;
도 20 내지 도 24는 몇몇 실시형태들에 따른 전기기계 디바이스들에 대한 다양한 제조 공정들을 나타내고;
도 25는 전기기계 디바이스의 일례에 대한, 게이트-소스 전압에 대한 터널링 갭 및 전도도(conductance)의 의존성의 그래프를 도시하고;
도 26은 몇몇 실시형태들에 따른 다양한 전기기계 디바이스들을 예시하고;
도 27은 몇몇 실시형태들에 따른 다양한 전기기계 디바이스들에 대한 전류와 전압 사이의 관계를 나타내고;
도 28은 몇몇 실시형태들에 따른 다양한 전기기계 디바이스들에 대한 전류와 터널링 폭 사이의 관계를 도시하고;
도 29는 몇몇 실시형태들에 따른 다양한 전기기계 디바이스들에 대한 작동 전압과 강성(stiffness) 사이의 관계를 나타내고;
도 30은 몇몇 실시형태들에 따른 다양한 전기기계 디바이스들에 대한 드레인 전류와 게이트-소스 전압 사이의 관계를 도시하고; 그리고
도 31은 몇몇 실시형태들에 따른 다양한 전기기계 디바이스들에 대한 다양한 특성들을 갖는 표를 예시한다.
본 발명자들은 동작 동안 전극들 사이에 전류가 흐르는 주된 방식으로서 전기적 터널링 현상을 채용하는 전기기계 디바이스들을 제조하는 것이 유리할 수도 있다고 인식하였다. 본 개시내용에 따른 전기기계 디바이스들은 적합한 거리로 이격된 2개 이상의 전극들을 포함할 수도 있는데, 이들 전극들이 서로를 향하거나 또는 서로로부터 멀어지는 상대 이동을 야기함으로써 개방 스위치 위치와 폐쇄 스위치 위치 사이에서 작동될 수도 있다. 따라서, 이러한 디바이스들은 개방 스위치 위치와 폐쇄 스위치 위치 사이에서 압착가능하거나 또는 다른 방식으로 압축가능할 수도 있다. 몇몇 실시형태들의 경우, 본 개시내용에 따른 전기기계 디바이스는 "스퀴치(squitch)", 예를 들어, 압착 또는 다른 방식의 압축 작용을 통해 개방 스위치 위치와 폐쇄 스위치 위치 사이에서 작동될 수도 있는 스위치로서 기능하는 디바이스라고 지칭될 수도 있다. 전류가 흐르지 않거나 또는 전극들 사이의 전류의 양이 무시해도 될 정도가 되도록(예컨대, 전극들 사이의 터널링 및/또는 누설 전류가 최소이거나, 또는 크게 발생할 수 없음) 전극들이 서로로부터 충분히 멀리 이격되어 있을 때, 디바이스는 개방 스위치 위치에("오프" 상태에) 있다. 몇몇 실시형태들에서, 최대 4 nm 이상으로 이격된 전극들은 개방 스위치 위치에 있다고 간주될 수도 있다. 직접 전기 흐름을 통해서든 또는 터널링 전류를 통해서든, 적합한 양의 전류가 전극들 사이에 흐를 수 있도록 전극들이 서로 충분히 가깝게 이격되어 있을 때, 디바이스는 폐쇄 스위치 위치에 있다. 몇몇 실시형태들에서, 2 nm 이하만큼 작게 이격된 전극들은 폐쇄 스위치 위치에 있다고 간주될 수도 있다. 몇몇 실시형태들에서, 폐쇄 스위치 위치에 있는 동안(예컨대, 2 nm 또는 3 nm 미만으로 이격된) 전극들 사이에 흐르는 직접 터널링 전류는 개방 스위치 위치에 있는 동안(예컨대, 3 nm 또는 4 nm 초과로 이격된) 전극들 사이에 흐르는 직접 터널링 전류보다 적어도 10 6 배 더 크다. 본 개시내용의 양태들은, 예를 들어, 대향 전극들 사이에 정전기적 인력을 부여하기 위해, 비교적 저전압들(예컨대, 1.0 V 미만 또는 몇몇 경우에 10.0 V 미만)을 사용하여 "온" 상태와 "오프" 상태 사이에서 반복적으로 작동될 수도 있는 나노스케일 구조적 특징부들을 갖는 요소들을 갖는 전기 시스템들을 제공한다. 따라서, 이러한 디바이스들은 저전력 응용들에 대해 매우 적합할 수도 있다. 본 개시내용의 실시형태들은, 예를 들어 가전 제품들, 의학적 응용, 에너지 하베스터(energy harvester)들에 의해 전력이 공급되는 자율적 응용, 센서들, 액추에이터들, 마이크로폰들 등을 비롯하여, 다양한 상이한 사용들 및 구현들에 대해 적합할 수도 있다. 도 1은 전극들 사이에 갭(G)이 존재하도록 서로 대향 배치된 소스 전극 및 드레인 전극을 갖는 전기기계 디바이스를 나타낸다. 초기에, 갭(G)은 디바이스가 개방 스위치 위치에 있도록 소스 전극과 드레인 전극 사이에 충분한 분리를 제공한다. 개방 스위치 위치에 있을 때, 전극들 사이에는 전혀 전류가 흐르지 않거나, 또는 무시해도 될 정도의 양의 전류만이 흐를 수 있다. 적합한 전압이 적절한 방식으로, 예를 들어 소스 전극과 드레인 전극 사이에, 또는 소스 전극과 게이트 전극 사이에(이 도면에는 도시 생략) 인가될 때, 소스 전극 및 드레인 전극은 정전기력(electrostatic force)을 통해 개방 스위치 위치로부터 폐쇄 스위치 위치로 이동하도록 작동된다. 결과적으로, 폐쇄 스위치 위치에서, 전극들 사이에 적합한 양의 전류가 흐를 수 있다. 예를 들어, 도 1에 또한 도시된 바와 같이, 소스 전극 및 드레인 전극은 서로 직접 접촉하게 이동하여, 그들 사이에 전류가 흐를 수 있도록 하는 전기 접속을 확립한다. 지금까지, 종래의 전기기계 디바이스들은 이러한 전극들을 개방 스위치 위치로부터 폐쇄 스위치 위치로 적당히 작동시키기 위해 상당한 전압차(예컨대, 용도에 따라, 1.0 V 초과, 5.0 V 초과, 10.0 V 초과)를 요구하였다. 이러한 종래의 전기기계 디바이스들은 불충분한 작동 전압을 받을 경우, 전극들은 개방 스위치 위치에 머무르게 되어, 전극들의 서로를 향한 추가로 가해지는 작동 힘 없이는 스위치를 닫을 수 없었다. 본 개시내용의 양태들은 대향 전극들 사이에 전류(예컨대, 터널링 전류)가 흐를 수 있도록 전극들을 서로 충분히 근접하게 가져가기 위해 대향 전극들 사이에 비교적 작은 양의 전압차만을 요구하는 전기기계 디바이스들에 관한 것이다. 본 개시내용의 전기기계 디바이스들은, 전극들 사이에 적합한 전압차의 인가로 인한 개방 스위치 위치와 폐쇄 스위치 위치 사이에서의 작동을 위해, 예를 들어, 전극들 사이에 상대적인 인력을 야기하도록 구성될 수도 있다. 몇몇 실시형태들에서, 전극들을 폐쇄 스위치 위치로 작동시키기 위해 충분한 전극들 사이의 전압차는 1.0 V 미만, 0.8 V 미만, 0.5 V 미만, 0.3 V 미만, 0.1 V 내지 1.0 V, 0.1 V 내지 0.5 V, 0.1 V 내지 0.3 V 등이다. 스위치의 적합한 작동을 야기하는 이러한 전압차들은 CMOS 응용에 적절할 수도 있다. 그래도, 본 개시내용에 따른 디바이스들은 다른 응용에 사용하기에 적합할 수도 있다. 몇몇 실시형태들에서, 폐쇄 스위치 위치로 전극 작동을 야기하기 위해 적당한 전극들 사이의 전압차는 15.0 V 미만, 12.0 V 미만, 10.0 V 미만, 8.0 V 미만, 6.0 V 미만, 4.0 V 미만, 2.0 V 미만, 0.1 V 내지 10.0 V, 0.5 V 내지 5.0 V, 1.0 V 내지 5.0 V, 또는 5.0 V 내지 10.0 V이다. 전극들의 작동을 야기하기 위해 적절한 전압차는 상기 열거된 종점들(end points) 중 임의의 것에 의해 정의되는 범위들 내에 있을 수도 있거나, 또는 상기 언급된 범위들 밖에 있을 수도 있음을 이해할 수 있다. 게다가, 종래의 전기기계 디바이스들에서는, 일단 소스 전극 및 드레인 전극이 서로 접촉하면, 전극들이 함께 점착(stick)하는 경향이 있거나, 또는 점착력(stiction)을 나타내는 경향이 있어, 개방 스위치 위치와 폐쇄 스위치 위치 사이에서의 디바이스의 반복적 작동을 제한한다. 예를 들어, 전극들이 서로 접촉하도록 충분한 전압이 소스 전극과 드레인 전극 사이에 인가될 때, 전극들은 바람직하지 않게 접착할 수 있다. 도 1의 F Electrostatic 등식에 도시된 바와 같이, 갭(G)에 의해 제공되는 이격 거리(separation distance)가 감소함에 따라, 스위치를 닫기 위해 사용되는 작동 전압의 양도 또한 감소한다. 그러나, 갭(G)에 의해 제공되는 이격 거리의 이러한 감소에 의하면, F vdw 등식에 의해 주어지는, 반 데르 발스(van der Waals) 인력으로 인해 전극들 사이의 접착의 정도는 증가한다. 본 개시내용의 양태들은 또한 전극들 사이의 점착력의 발생 또는 우려 없이, 개방 스위치 위치와 폐쇄 스위치 위치 사이에서 반복적으로 작동될 수도 있는 전기기계 디바이스들에 관한 것이다. 본 명세서에 설명되는 바와 같은 점착력은, 예를 들어, 정전기력, 반 데르 발스 힘 및/또는 수소 결합력으로 인해, 2개의 표면들이 근접해질 때 함께 접착하는 현상으로서 특징화될 수도 있다. 바꿔 말하면, 점착력은 서로 접착된 2개의 물체들 사이의 정지 마찰(static friction) 임계치인데, 이 임계치는 물체들이 서로 분리되기 위해 극복해야만 한다. 예를 들면, 아래에 더욱 서술되는 바와 같이, 탄성 변형가능 재료가 전극들 사이에 위치되어, 개방 스위치 위치로부터 폐쇄 스위치 위치로 작동 시에 전극들 사이에서 직접 접촉이 발생하는 것을 저지할 수 있고, 게다가 작동 전압/힘의 제거 시에 복원력을 제공할 수도 있다. 이 복원력은, 원할 때에, 디바이스를 개방 스위치 위치로 다시 복귀시키는 데에 유용할 수도 있다. 그리하여, 본 개시내용에 따른 실시형태들은 점착력의 영향을 삭제하거나 또는 다른 방식으로 실질적으로 감소시키면서, 개방 스위치 위치와 폐쇄 스위치 위치 사이에서의 반복 작동을 허용할 수도 있다. 본 개시내용에 따른 전기기계 디바이스들은 임의의 적합한 구조를 가질 수도 있다. 본 명세서에 설명된 다양한 실시형태들에서, 전기기계 디바이스들은 2개 이상의 전극들을 포함할 수도 있고, 여기서 전극들 중 2개는 갭 만큼 이격되어 있다. 몇몇 경우에, 탄성 변형가능 층은 이러한 분리를 제공하는 갭을 점유한다. 몇몇 실시형태들에서, 탄성 변형가능 층은 전기 전도성 재료를 실질적으로 포함하지 않는다. 예를 들면, 탄성 변형가능 층은 추가적인 전도성 충전제들(예컨대, 탄소/금속 입자들 등)을 갖지 않는 비-전기 전도성 재료(예컨대, 유기 재료, 중합체 등)를 포함할 수도 있다. 디바이스를 제조하는 방식 및 그의 동작 방식은 디바이스의 전체 구조에 크게 의존하여 적절히 변경될 수도 있음을 이해할 수 있다. 도 2는 대향 전극들 사이에 끼워지는 유기 박막으로서 제공되는 탄성 변형가능 층을 갖는 본 개시내용에 따른 전기기계 디바이스를 예시한다. 적절한 작동 전압의 인가 이전에, 디바이스는 개방 스위치 위치에 있고, 여기서 전극들 사이에는 접촉을 통해서든 또는 터널링을 통해서든, 거의 내지는 본질적으로 전혀 눈에 띄지 않는 전류가 흐른다. 그러나, 전극들에 걸쳐 충분한 양의 전압을 인가하여, 전극들이 적절한 정전기력을 받게 할 시에, 전극들은 서로 더 가까워져서 유기 박막의 압축을 초래한다. 일단 전극들이 서로 충분히 가까워지면, 전극들 사이에 있는 층의 존재로 인해 직접 접촉은 되지 않은 상태로, 전극들 사이에 적합한 터널링 전류가 발생한다. 아래에 더욱 서술되는 바와 같이, 전극들이 서로를 향해 더 가까워짐에 따라, 터널링 전류는 기하급수적으로 증가한다. 따라서, 전극들이 서로를 향해 압축되는 정도 및, 결국, 박막을 통과하는 전류는, 인가되는 작동 전압의 적절한 조정에 의해, 대부분 제어될 수도 있다. 상기 서술된 바와 같이, 디바이스가 폐쇄 스위치 위치에 있을 때, 전극들 사이에 흐르는 직접 터널링 전류는 디바이스가 개방 스위치 위치에 있을 때 전극들 사이에 흐르는 직접 터널링 전류보다 적어도 10 6 배 더 클 수도 있다. 몇몇 실시형태들에서, 폐쇄 스위치 위치에 놓일 때, 전극들 사이에 흐르는 전류는 10 -8 A 초과, 10 -7 A 초과, 10 -6 A 초과, 10 -5 A 초과, 10 -4 A 초과, 10 -3 A 초과, 10 -2 A 초과, 10 -1 A 초과, 1.0 A 초과, 10 -8 A 내지 1.0 A, 10 -7 A 내지 10 -1 A, 10 -6 A 내지 10 -2 A, 또는 10 -5 A 내지 10 -3 A이다. 디바이스가 폐쇄 스위치 위치에 놓일 때 전극들 사이에 흐르는 전류(예컨대, 터널링)는 상기 열거된 종점들 중 임의의 것에 의해 정의되는 범위들 내에 있을 수도 있거나, 또는 상기 언급된 범위들 밖에 있을 수도 있다. 반대로, 디바이스가 개방 스위치 위치에 있을 때, 전극들 사이에 흐르는 직접 터널링 전류는 무시해도 될 정도이다. 몇몇 실시형태들에서, 개방 스위치 위치에 놓일 때, 전극들 사이에 흐르는 전류는 10 -6 A 미만, 10 -7 A 미만, 10 -8 A 미만, 10 -9 A 미만, 10 -10 A 미만, 10 -11 A 미만, 10 -12 A 미만, 10 -13 A 미만, 10 -6 A 내지 10 -13 A, 10 -7 A 내지 10 -12 A, 10 -8 A 내지 10 -11 A, 또는 10 -9 A 내지 10 -10 A이다. 디바이스가 개방 스위치 위치에 놓일 때 전극들 사이에 흐르는 전류는 상기 열거된 종점들 중 임의의 것에 의해 정의되는 범위들 내에 있을 수도 있거나, 또는 상기 언급된 범위들 밖에 있을 수도 있다. 일반적으로, 전극들 사이의 접촉의 부족은 또한, 전극들 사이의 교차오염(cross-contamination), 예를 들어, 다른 전극 및/또는 다른 소스로부터 전극으로의 금속/입자 전사(transfer)의 가능성을 제거하거나 또는 달리 감소시킬 수도 있다. 본 명세서에 설명되는 전기기계 디바이스들은 전극들 사이의 전압차에 의해 작동되도록 요구되지 않음을 이해할 수 있다. 예를 들면, 전기기계 디바이스는 외부적으로 인가된 기계적 압력(예컨대, 클램프, 레버, 압력 인가, 수동 압축 등)의 결과로서 압축될 수도 있다. 전극들 사이에 배치되는 탄성 변형가능 층은 쉽게 압축될 수도 있지만, 본 개시내용의 다른 양태에서, 탄성 변형가능 층은 또한 인가된 작동 힘/압축의 해제 시에, 디바이스가 개방 스위치 위치(스위치가 "오프"임)에서의 원래의 휴지 상태(original resting state)로 회복되기 위해, 적합한 복원력을 제공할 수도 있다. 도 3은 전기기계 디바이스의 다른 실시형태를 예시하고, 이 경우 탄성 변형가능 층이 나선형 분자들의 단층(예컨대, 자기조립 단층(self-assembled monolayer))을 포함한다. 몇몇 실시형태들에서, 이러한 나선형 구조들을 갖는 분자들은 스프링-유사 거동(spring-like behavior)을 나타낼 수도 있다. 예를 들어, 나선형 분자들 또는 다른 적합한 분자 구조들은 서로 근접해 있을 때 열역학적으로 불안정한 화학 모이어티들(chemical moieties)의 소정 조합으로 기능화될 수도 있다. 따라서, 일단 분자 층이 압축되면, 각각의 작용기들은 근접해 있을 때 서로 반발할 것이고, 그리하여 전체 구조가 더 낮은 에너지 상태로 전이하고 그리고/또는 더 낮은 에너지 상태를 유지할 수 있도록 된다. 그 결과, 탄성 변형가능 층의 회복력 있는 스프링-유사 거동은 작동 힘의 제거 시에 디바이스를 개방 스위치 위치로 다시 복귀시키는 데에 기여할 수도 있다. 즉, 탄성 변형가능 층의 포함은 작동 힘의 해제 시에 전극들 서로 간의 점착을 피하는 데에 유용하다. 탄성 변형가능 층은 또한 디바이스의 폐쇄 스위치 위치로의 작동 시에 전극들 사이의 직접 접촉을 방지한다. 도 4는 본 명세서에 제시되는 실시형태들에 따른 전기기계 디바이스의 다른 예를 나타낸다. 디바이스는 스프링-유사 분자들이 사이에 배치되어 있는 2개의 대향 전극들을 갖는다. 몇몇 실시형태들에서, 디바이스를 온-상태(폐쇄 스위치 위치)로 작동시킬 때, 갭의 이격 거리는 4.0 nm에서부터 2.0 nm로 감소되어, 이 디바이스에서의 터널링 전류를 여러 자릿수 만큼 증가시킨다. 이러한 작동은 디바이스가 원하는 갑작스런 스위칭 거동을 나타낼 수 있게 한다. 도 5는 본 개시내용에 따른 전기기계 디바이스들의 다양한 예시적인 실시형태들을 도시한다. 특히, 도 5는 수직 작동형 디바이스(vertically actuated device) 및 수평 작동형 디바이스(laterally actuated device) 둘 모두를 나타낸다. 도 2 내지 도 4는 수직 작동형 디바이스들의 예들을 제공하고, 여기서 몇몇 경우에 대해, 전극들 및 탄성 변형가능 층(예컨대, 유기 박막)은 기저 기판(underlying substrate)(도시 생략)의 평면에 나란히 뻗어 있는(run parallel) 평면을 따라 존재하고, 전극들은 기저 기판에 대해 실질적으로 직교하는 수직 방향으로 작동된다. 한편, 수평 작동형 디바이스에서는, 몇몇 사례에 대해, 전극들 및 탄성 변형가능 층은 기저 기판(도시 생략)의 평면에 직교하여 뻗어 있는(run perpendicular) 평면을 따라 존재하고, 전극들은 기저 기판에 대해 실질적으로 평행인 수평(가로) 방향으로 작동된다. 도 6 및 도 7은 각각의 소스 전극, 드레인 전극 및 게이트 전극을 갖는 수평 작동형 전기기계 디바이스의 예시적인 실시형태들을 도시한다. 소스 전극은, 일 단부가 기저 기판에 고정되고 드레인 전극에 가장 가까운 단부에서 자유로운 캔틸레버(cantilever)로서 형성된다. 드레인 전극 및 게이트 전극이 또한 각각의 기판들(도시 생략)에 고정되어 있을 수도 있다. 나타낸 바와 같이, 필요 없을 수도 있지만, 캔틸레버는 드레인 전극 및 게이트 전극에 대해 실질적으로 등거리에 배치된다. 도시된 바와 같이, 탄성 변형가능 층(예컨대, 유기 박막, 나선형 분자들의 그룹 등)이 소스 전극의 단부에서 소스 전극과 드레인 전극 사이에 끼워진다. 도 6 및 도 7에서, 개방 스위치 위치에 있을 때, 소스 전극과 드레인 전극 사이에 전류가 흐를 수 없도록 소스 전극은 드레인 전극으로부터 떨어진 거리(예컨대, 4 nm 초과)에 배치된다. 디바이스를 폐쇄 스위치 위치를 향해 작동시키기 위해, 드레인 전극을 향해 (예컨대, 정전기력을 통한) 소스 전극의 편향(deflection)을 야기하도록 적절한 작동 전압이 게이트 전극에 인가된다. 이러한 편향은 각각의 소스 전극과 드레인 전극 사이의 갭의 이격 거리를 감소시킨다. 소스 전극과 드레인 전극 사이의 거리가 충분히 작을 때, 직접 접촉하지는 않은 상태로, 탄성 변형가능 층을 통해서 소스 전극과 드레인 전극 사이에 적합한 터널링 전류가 발생되어, 폐쇄 스위치 위치를 초래한다. 소스 전극과 드레인 전극 사이에 배치된 탄성 변형가능 층은 게이트 전극에 의해 인가되는 작동 전압이 해제될 때, 소스 전극이 그의 원래의 개방 스위치 위치로 다시 복귀하도록, 스프링-유사 거동을 나타낸다. 도 7은 소스 전극과 드레인 전극 사이의 대략 1 nm 내지 2 nm 두께의 층으로서 제공되는 탄성 변형가능 층을 포함하는 전기기계 디바이스의 예를 나타낸다. 탄성 변형가능 층은 점착방지(anti-stiction) 재료를 포함하는데, 전극들이 서로 충분히 가까이 위치될 때 이 점착방지 재료를 통해서 터널링이 발생할 수 있다. 여기서, 점착방지 재료는 드레인 전극의 표면 상에 제공되지만, 이러한 재료는 또한 소스 전극 상에, 두 전극 상에, 또는 다른 적합한 위치에 제공될 수도 있다. 이러한 재료를 통해서 터널링이 발생하는 것을 허용하지만, 이러한 재료의 존재는 소스 전극과 드레인 전극 사이의 직접 접촉을 방지하는 데에 적합할 수도 있다. 도 8은 도 6 및 도 7의 구조와 유사한, 수평 작동형 캔틸레버 디바이스 구조의 현미경 사진을 도시한다. 이 디바이스는 캔틸레버 빔(cantilever beam)으로서 제공되는 소스 전극, 게이트 전극 및 드레인 전극을 갖고, 전극들 각각은 각각의 기판들에 고정되어 있다. 캔틸레버 빔 전극이 "소스"로서 라벨링되어 있고 대향 전극들은 각각 "게이트" 및 "드레인"으로서 라벨링되어 있지만, 이들 전극들이 서로에 대해 배열되고 사용되는 방식에 따라, 이들 전극들 중 임의의 것이 소스 전극, 게이트 전극 또는 드레인 전극으로서 사용될 수도 있음을 이해해야 한다. 몇몇 실시형태들에서는, 탄성 변형가능 층이 요구되지 않는다. 예를 들어, 소스 전극과 드레인 전극 사이의 갭(예컨대, 나노스케일 갭)을 통한 터널링은, 심지어 탄성 변형가능 층의 부재 시에도, 캔틸레버형 구조를 사용하여 적절히 변경될 수도 있다. 그러나, 스프링-유사 분자들의 그룹, 점착방지 코팅 및/또는 다른 적절한 층과 같은 적합한 재료가, 소스 전극 및/또는 드레인 전극 상에 또는 이에 인접하여 혼입될 수도 있음을 이해할 수 있다. 몇몇 실시형태들에서, 캔틸레버/빔-기반 실시형태들은 나노미터 두께의 갭들의 형성을 용이하게 하는 하나 이상의 추가적인 전극들을 포함하도록 구조화될 수도 있다. 예를 들어, 도 9는 2개의 소스 전극들(1, 2), 게이트 전극 및 드레인 전극을 갖는 전기기계 디바이스의 예시적인 실시형태를 나타낸다. 이 실시형태에서, 폐쇄 스위치 위치에 놓일 때, 소스 전극들(1, 2)이 상호 접촉함에도 불구하고, 소스 전극 및 드레인 전극은 서로 직접 접촉하는 것이 방지된다. 소스 전극(1)은, 기판에 고정되고 기판으로부터 연장되는 캔틸레버 빔으로서 제공된다. 동작 시에, 예를 들어, 소스 전극(1)의 편향을 통해, 소스 전극들(1, 2)을 서로를 향해 이동시키도록 소스 전극들(1, 2) 사이에 전압이 인가된다. 다양한 실시형태들에서, 직접 접촉 시에, 소스 전극들(1, 2)은 영구적으로 또는 일시적으로 서로 접착한다. 그래도, 이 예에서, 소스 전극들(1, 2)이 직접 접촉될 때, 디바이스는 여전히, 상당한 오프-상태 누설 전류의 발생이 없이 개방 스위치 위치에 남아 있을 수도 있다. 예를 들면, 도시된 바와 같이, 적절한 작동 전압이 소스 전극들(1, 2) 사이에 인가될 때, 소스 전극(1)과 드레인 전극 사이의 거리는 여전히 4 nm 초과일 수도 있거나, 또는 어떤 거리이더라도 개방 스위치 위치를 나타낸다. 이어서 게이트 전압이 인가되어, 소스 전극(1)과 드레인 전극 사이의 이격 거리를 더욱 감소시키도록 소스 전극(1)을 더욱 편향시킬 수도 있다. 소스 전극(1)이 드레인 전극에 충분히 가까워질 때, 폐쇄 스위치 위치를 나타내는 터널링 전류가 소스 전극과 드레인 전극 사이에서 발생한다. 상기 서술된 바와 같이, 소스 전극과 드레인 전극 사이의 갭은 탄성 변형가능 재료, 예를 들어 압축가능 유기 박막으로 충전될 수도 있다. 따라서, 드레인을 향한 캔틸레버/빔의 편향은 압축가능 유기 박막의 분자 층을 압축하여, 이격 거리를 감소시키고 전극들 사이의 터널링 전류를 기하급수적으로 증가시킬 것이다. 결과적으로, 분자 층의 존재는 작동 동안 전극들 사이의 직접 접촉을 완화시킬 수도 있는데, 이는 전극들 사이에서 다른 방식으로 발생할 수도 있는 영구적인 접착으로 인한 디바이스 고장을 방지하는 것을 돕는다. 작동 힘이 해제될 때, 탄성 변형가능 재료는 그의 원래의 두께로 다시 복귀할 수도 있고, 이 경우 전극들은 개방 스위치 위치에 있다. 양단이 클램핑된 빔(clamped-clamped beam) 구조들이 도 6 및 도 7에 제시된 것과 같이 탄성 변형가능 층의 존재에 대해 유사한 탄성 변형가능 층 배열을 적용할 수도 있다. 도 10은 소스 전극과 드레인 전극 사이에 끼워진 유기 박막을 갖는 수평 작동형 빔 구성물로서 제공되는 전기기계 디바이스의 예시적인 실시형태를 도시한다. 이 예에서는, 양단이 클램핑된 빔 배열에서, 소스 전극은 대향 단부들에 고정되고, 드레인 전극은 대향 측부들이 각각의 게이트 전극들 옆에 위치한다. 도 10에서, 개방 스위치 위치에 있을 때, 게이트 전극들로부터 전압의 인가 이전에, 소스 전극과 드레인 전극 사이의 이격 거리는 소정의 양 초과, 예를 들어 4 nm 초과일 수도 있다. 그래도, 상기 서술된 바와 같이, 게이트 전극(들)으로부터의 적합한 전압의 인가는 (예컨대, 정전기력으로 인해) 중간에서부터의 소스 전극의 편향을 야기할 수도 있다. 이러한 편향은 소스 전극과 드레인 전극 사이의 갭의 이격 거리의 감소를 초래한다. 게이트 전극(들)으로부터 인가되는 충분한 정도의 전압은 분자 층을 통한 터널링 전류의 변경을 유발하여, 디바이스가 폐쇄 스위치 위치로 되게 한다. 몇몇 실시형태들에서, 폐쇄 스위치 위치에서는, 소스 전극과 드레인 전극 사이의 이격 거리가 2 nm 미만이다. 도 11 및 도 12는 도 10에 대해 상기 서술된 것과 유사한 방식으로 기능하는 각각의 전기기계 디바이스들의 현미경 사진들이다. 즉, 비교적 얇은 소스 전극은 대향 단부들에 고정되고, 각각의 드레인 전극 및 게이트 전극은 고정된 영역들 사이에서 소스 전극에 인접하여 배치된다. 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 디바이스들은 초기에 개방 스위치 위치에 있고, 여기서 소스 전극은 아직 편향되지 않았다. 그러나, 인접한 전극들 중 하나 이상으로부터 적합한 전압차가 인가될 때, 디바이스가 폐쇄 스위치 위치로 되게 하도록 소스 전극은 편향된다. 도 13은 전기기계 디바이스들의 다양한 실시형태들을 예시하고, 이 경우 빔 또는 캔틸레버의 양측에 다양한 전극들이 놓여 있다. 이러한 구조는 캔틸레버 또는 빔이 편향되는 방식에 기초하여 다수의 스위칭 갭들의 형성을 허용할 수도 있다. 일 실시형태에서, 디바이스는 소스 전극이, 일단부가 기판에 고정된 캔틸레버 빔 구조를 갖도록 배열된다. 다른 실시형태에서, 소스 전극은 양단이 클램핑된 빔으로서 배열되는데, 이 빔은 대향 단부들이 기판들에 고정되어 있다. 도 13에 나타낸 두 실시형태들에 대해, 드레인 전극 및 게이트 전극은 소스 전극의 양측에 배치된다. 결과적으로, 소스 전극은 본 명세서에 설명된 배열들에 따른 주위 전극들 중 임의의 것을 향해 편향될 수도 있다. 예를 들면, 소스 전극은 소스 전극의 일 측부 상의 하나 이상의 게이트 전극들에 의해 유도되는 정전기력에 의해 일 방향으로 (예컨대, 도 13에서 좌측으로) 편향하도록 될 수도 있거나; 또는 소스 전극은 소스 전극의 다른 측부 상의 하나 이상의 다른 게이트 전극들에 의해 유도되는 대응하는 힘에 의해 반대 방향으로 (예컨대, 도 13에서 우측으로) 편향하도록 될 수도 있다. 탄성 압축가능 유기 박막 및/또는 점착방지 코팅과 같은 탄성 변형가능 재료가 전극들 중 임의의 것 사이에 적합한 방식으로 적절히 제공될 수도 있음을 이해할 수 있다. 도 14 및 도 15는 다양한 구성들을 갖는 전기기계 디바이스의 더욱 예시적인 실시형태들을 나타낸다. 도 14에 도시된 바와 같이, 탄성 변형가능 층(예컨대, 압축가능 유기 막)이 소스 전극과 드레인 전극 사이의 갭을 점유한다. 이 갭은 게이트 전극과 소스 전극 사이에 인가되는 전압차에 의해 전기기계적으로 변경된다. 본 개시내용에 따른 전기기계 디바이스들의 구조들은 다수의 적합한 구성들을 채용할 수도 있다. 예를 들면, 도 14 및 도 15에 나타낸 실시형태들에 도시된 바와 같이, 게이트-소스 갭은 바람직하지 않은 터널링 발생을 방지하기 위해 오목하게 들어가 있고; 즉, 게이트 전극과 소스 전극 사이의 더 큰 이격 거리는 오프-상태 전류의 전체적인 감소를 초래한다. 도시된 바와 같이, 소스 전극과 게이트 전극 사이의 갭(G SG )에 의해 제공되는 이격 거리는 소스 전극과 드레인 전극 사이의 갭(G SD )에 의해 제공되는 이격 거리보다 더 크다. 서술되는 바와 같이, 몇몇 경우에 대해, 적합한 작동 전압 및/또는 힘의 인가 시에, 소스 전극과 드레인 전극 사이에서 폐쇄 스위치 위치에 놓여 있는 디바이스와 일치하는 터널링 전류가, 소스 전극과 게이트 전극 사이에서의 유사한 크기의 임의의 그러한 터널링 전류에 앞서, 발생하도록, 소스 전극은 게이트 전극보다 드레인 전극에 더 가까운 것이 바람직할 수도 있다. 따라서, 게이트 전극은 소스 전극과 드레인 전극 사이에 전류가 흐르도록 소스 전극 및 드레인 전극을 서로 끌어당기게 하기 위해 사용되어, 소스 전극과 드레인 전극 사이의 폐쇄 스위치를 초래한다. 도 14의 좌측의 단면도에 도시된 전기기계 디바이스의 실시형태에서, 소스 전극은 2개의 드레인 전극들 및 오목한 게이트 전극에 대향 배치된다. 드레인 전극들은 게이트 전극의 대향 측부들 옆에 있다. 게다가, 탄성 변형가능 층이 드레인 전극들 중 하나와 소스 전극의 대응하는 단부 사이에 제공되고, 다른 탄성 변형가능 층이 다른 하나의 드레인 전극과 소스 전극의 대응하는 대향 단부 사이에 제공된다. 도 14의 우측의 단면도에 도시된 전기기계 디바이스의 다른 실시형태에서, 소스 전극은 2개의 오목한 게이트 전극들 및 드레인 전극에 대향 배치된다. 여기서, 게이트 전극들은 드레인 전극의 대향 측부들 옆에 있고, 여기서 서술된 바와 같이, 드레인 전극은 주위 게이트 전극들에 비해 약간 융기되어 있다. 탄성 변형가능 층이 또한 드레인 전극과 소스 전극 사이에 제공된다. 도 15는 전기기계 디바이스의 또 다른 실시형태의 단면도를 예시한다. 이 디바이스의 전극들은 2개의 게이트 전극들이 드레인 전극의 대향 측부들 옆에 있다는 점에서 도 14의 우측에 제공된 실시형태와 구조 면에서 유사하다. 그렇지만 이 특정한 경우에, 탄성 변형가능 층은, 소스 전극과 드레인 전극 사이가 아닌, 소스 전극과 게이트 전극들 사이에 제공된다. 도시된 바와 같이, 탄성 변형가능 층은 게이트 전극들 중 하나와 소스 전극의 대응하는 단부 사이에 제공되고, 다른 탄성 변형가능 층은 다른 하나의 게이트 전극과 소스 전극의 대응하는 대향 단부 사이에 제공된다. 여기에 도시된 바와 같이, 탄성 변형가능 층은 임의의 적합한 위치에 제공될 수도 있음을 이해할 수 있다. 예를 들면, 몇몇 경우에, 도시하지 않지만, 탄성 변형가능 층은 소스 전극과 드레인 및 게이트 전극들 각각 사이에 제공될 수도 있다. 탄성 변형가능 층은 임의의 적합한 재료 또는 재료들의 조합을 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태들에서, 탄성 변형가능 재료는 아래에 서술되는 스프링-유사 거동을 나타낼 수도 있다. 한편, 전기기계 디바이스가 예를 들어, 낮은 동작 전압 및 에너지를 사용하여 용이하게 작동되도록 탄성 변형가능 재료는 비교적 연성(soft)인 것이 바람직할 수도 있다. 즉, 탄성 변형가능 재료의 강성이 낮을수록, 전극들이 충분히 가깝게 되고 폐쇄 스위치 위치로 되기 위해 더 적은 전압이 요구될 것이다. 예를 들어, 전극들에 걸친 비교적 낮은 작동 전압차(예컨대, 1.0 V 미만, 0.5 V 미만, 0.3 V 미만, 0.1 V 미만)의 인가 또는 적합한 압축 작동 힘은, 디바이스를 개방 스위치 위치로부터 폐쇄 스위치 위치로 작동시키기에 충분할 수도 있다. 그래도, 상기 설명된 바와 같이, 몇몇 응용에 대해, 디바이스를 개방 스위치 위치로부터 폐쇄 스위치 위치로 작동시키기 위해 전극들에 걸친 전압차는 1.0 V 초과일 수도 있다. 원할 때에, 개방 스위치 위치에서 전극들의 분리를 유지하도록 탄성 변형가능 재료가 충분히 강성인 것이 또한 바람직할 수도 있다. 탄성 변형가능 재료의 강성 또는 스프링 상수(spring constant)가 클수록, 전극들을 폐쇄 스위치 위치로 되게 하기 위해 더 많은 전압 및/또는 힘이 요구될 것이다. 그런 상태로, 탄성 변형가능 재료는, 스위치가 예측할 수 없게 닫히지 않거나 또는 바람직하지 않은 누설 전류를 생기게 하지 않도록, 적합한 때에 디바이스를 개방 스위치 위치에서 유지할 수 있다. 더욱이, 재료의 스프링-유사 거동은 또한, 디바이스가 개방 스위치 위치로 갑자기 턴 오프할 수 있도록 그리고 또한 전극들 사이의 접촉 점착을 방지하도록 바람직한 복원력을 제공할 수도 있다. 탄성 변형가능 재료는 또한 폐쇄 스위치 위치에 있도록 작동될 때 전극들(예컨대, 소스 전극 및 드레인 전극)이 서로 직접 접촉하는 것을 방지할 수도 있다. 예를 들어, 탄성 변형가능 재료의 분자들은 함께 모여서, 전극들 사이에 존재할 수도 있는 공간들을 충전할 수도 있다. 따라서, 충분히 가까이 위치될 때, 전자들은 하나의 전극으로부터 다른 전극으로 탄성 변형가능 재료를 통해서 터널링할 수도 있다. 그리하여, 전기적으로 그리고/또는 힘이 변경된, 본 명세서에 설명된 전기기계 디바이스들은 전극들 사이에 적합한 터널링 전류가 발생하는 것을 허용할 수도 있다. 전극들이 서로 접촉하는 것을 방지함으로써, 전극들은 폐쇄 스위치 위치에 놓일 때 덜 점착하는 경향이 있어, 디바이스가 스위칭의 반복성(repeatability of switching)을 나타내도록 허용한다. 탄성 변형가능 재료는 임의의 적합한 기계적 특성들을 나타낼 수도 있다. 몇몇 실시형태들에서, 탄성 변형가능 재료는 10.0 MPa 미만, 9.0 MPa 미만, 8.0 MPa 미만, 7.0 MPa 미만, 6.5 MPa 미만, 6.0 MPa 미만, 5.5 MPa 미만, 5.0 MPa 미만, 4.0 MPa 미만, 3.0 MPa 미만, 2.0 MPa 미만, 1.0 MPa 미만 등의 스프링 상수를 가질 수도 있다. 예를 들어, 탄성 변형가능 재료는 1.0 MPa 내지 6.5 MPa, 2.0 MPa 내지 6.0 MPa, 1.0 MPa 내지 3.0 MPa, 3.0 MPa 내지 5.0 MPa, 또는 본 명세서에 제공된 종점 값들 사이의 다른 범위들의 스프링 상수를 가질 수도 있다. 몇몇 실시형태들에서, 디바이스는 비교적 더 높은 작동 전압 응용(예컨대, 작동을 위해 최대 10.0 V)을 위해 사용될 수도 있는데, 그 경우에 탄성 변형가능 재료는 150.0 MPa 미만, 120.0 MPa 미만, 100.0 MPa 미만, 90.0 MPa 미만, 80.0 MPa 미만, 70.0 MPa 미만, 60.0 MPa 미만, 50.0 MPa 미만, 40.0 MPa 미만, 30.0 MPa 미만, 20.0 MPa 미만, 10.0 MPa 미만 등의 스프링 상수를 가질 수도 있다. 예를 들어, 탄성 변형가능 재료는 1.0 MPa 내지 100.0 MPa, 5.0 MPa 내지 50.0 MPa, 10.0 MPa 내지 20.0 MPa, 또는 본 명세서에 제공된 종점 값들 사이의 다른 범위들의 스프링 상수를 가질 수도 있다. 탄성 변형가능 재료는 상기 언급된 범위들 밖에 있는 스프링 상수를 나타낼 수도 있음을 이해할 수 있다. 탄성 변형가능 재료의 강성은 관련 기술분야에 공지된 방법들에 의해, 예를 들어, 전류-전압 외삽법, 간섭 측정법, 원자력 현미경, 또는 다른 적합한 기법들에 의해 측정될 수도 있다. 이론에 의해 얽매이기를 원치 않지만, 일반적으로 낮은 강성을 갖는 탄성 변형가능 재료(예컨대, 낮은 패킹 밀도(packing density), 낮은 가교 밀도(cross-link density)를 갖는 재료, 비교적 연성 재료 등)를 혼입한 디바이스는 디바이스가 비교적 낮은 작동 전압을 갖는 것을 허용할 수도 있다. 한편, 전극들이 터널링 발생을 위해 충분히 근접하게 되도록 하기 위한 작동 전압은 달리 더 큰 정도의 강성을 나타내는 탄성 변형가능 재료에 대해 비교적 더 높을 수도 있다. 도 16 내지 도 19는 본 명세서에 설명된 전기기계 디바이스들에 혼입될 수도 있는 탄성 변형가능 재료들 또는 유기 박막 분자들의 예들을 제공한다. 몇몇 실시형태들에서, 탄성 변형가능 재료들은 비-전도성 유기 재료(예컨대, 중합체, 유기 박막)와 같은 비-전도성 재료를 포함할 수도 있다. 몇몇 실시형태들에서, 탄성 변형가능 재료는 폴리에틸렌 글리콜 디티올, 플루오린화 알칸티올, 또는 임의의 다른 적합한 분자와 같이, 자기조립 단층(SAM; self-assembled monolayer)을 형성하는 분자들을 포함할 수도 있다. 하나 이상의 전극들과 공유 결합(covalent bond)을 형성하기 위해, (예컨대, 금-황 결합(gold-sulfur bond)을 통해) 거기에 부착하기 위해, 티올 기(thiol group)들이 채용될 수도 있다. 예를 들어, 몇몇 경우에, 서로 대향 위치되는 두 전극과의 각각의 결합들을 형성하기 위해 폴리에틸렌 글리콜 디티올이 채용될 수도 있다. 자기조립 단층들은 박막의 전체적인 강성을 조정하기 위해 상이한 길이들을 갖도록 적합하게 맞춤화될 수도 있다. 예를 들어, 더 길고 더 기능화된 중합체 사슬이, 예를 들어 더 짧은 알킬 또는 다른 중합체 사슬보다 덜 강성일 수도 있다. 즉, 더 긴 사슬들은 그들 자체를 접는 것(folding over themselves)에 의해서와 같이, 다중 입체형태(conformation)들을 취하는 경향이 있을 수도 있어, 더 낮은 강성을 초래할 수도 있다. 대조적으로, 더 짧은 분자 사슬들은 실질적으로 더 적은 유효 입체형태들을 가질 수도 있으므로, 이러한 사슬들이 변형에 더 저항력이 있고 일반적으로 더 강성으로 되게 한다. 그래도, 몇몇 경우에 대해, 사슬들이 더 조밀하게 패킹될 때 (긴 사슬 분자들을 가짐에도 불구하고) 더 강성으로 될 가능성이 크다. 몇몇 실시형태들에서, 탄성 변형가능 재료를 구성하는 분자들(예컨대, 자기조립 단층들)은 적어도 1 nm, 적어도 2 nm, 적어도 3 nm, 적어도 4 nm, 적어도 5 nm, 적어도 7 nm, 적어도 10 nm의 길이, 또는 다른 적합한 길이를 가질 수도 있다. 또는, 분자들이 25 nm 미만, 20 nm 미만, 15 nm 미만, 10 nm 미만, 또는 5 nm 미만 등의 길이를 가질 수도 있다. 탄성 변형가능 재료의 분자들은 상기 설명된 종점들 중 임의의 것에 의해 정의되는 범위들 내에 있거나 또는 상기 언급된 범위들 밖에 있을 수도 있는 길이를 가질 수도 있다. 본 명세서에 언급된 바와 같이, 자기조립 단층에서의 분자들의 밀도는 또한 적절히 맞춤화될 수도 있다. 예를 들어, 자기조립 단층은 비교적 낮은 패킹 밀도를 가질 수도 있어, 유기층이 적합하게 낮은 강성을 나타낼 수 있도록 한다. 몇몇 실시형태들에서, 탄성 변형가능 재료를 위한 자기조립 단층의 패킹 밀도는 20% 내지 80%, 30% 내지 70%, 40% 내지 60%(예컨대, 대략 50%) 등일 수도 있거나, 또는 탄성 변형가능 재료가 적절한 방식으로 압축하기 위해 적합한 것일 수도 있다. 이러한 분자들이 또한 그들의 전체적인 강성에 영향을 미칠 작용기들을 가질 수도 있음을 이해할 수 있다. 예를 들면, 몇몇 경우에, 플루오린화 알칸 티올 분자들이 채용되어, 서로로부터의 플루오린 원자들의 상호 반발로 인해 비교적 직쇄 분자 사슬들을 초래할 수도 있다. 이러한 자기조립 단층들은 도 17 및 도 18에 도시된 것들과 같은, 플루오린화 티올들(fluorinated thiols) 및 세미플루오린화 디티올들(semifluorinated dithiols)의 혼합물을 사용하여 형성될 수도 있다. 본 개시내용에 따른 접근법들은 일 측부 상의 플루오린 원자들의 비교적 조밀한 집합을 갖는 자기조립 단층과 함께 대향 측부에 위치되는 희박하게 패킹된 알킬 자기조립 단층(sparsely packed alkyl self-assembled monolayer)이 생기게 할 수도 있다. 조밀하게 패킹된 플루오로스 영역(densely packed fluorous region)은 비교적 견고하여(rigid), 자기조립을 촉진하도록 자기조립 단층을 안정화시킬 수도 있다. 한편, 희박한 알킬 부분은, 전체적인 층의 압축을 허용할 수도 있다. 알킬 및 퍼플루오로알킬 분자들이 일반적으로 서로에 대해 (반발하는) 호의적이지 않은 분자간 힘들을 나타내므로, 디바이스의 개방 스위치 위치는 열역학적으로 유리할 것이다. 다시 말해, 디바이스가 폐쇄 스위치 위치로 작동될 때, 여기서 알킬 및 퍼플루오로알킬 분자들이 함께 모여들고, 분자들의 반발하는 성질은 회복을 촉진하여, 작동 전압/힘의 제거 시에 개방 스위치 위치를 복원할 수 있도록 한다. 몇몇 실시형태들에서, 탄성 변형가능 재료는, 증착되거나 또는 스핀 코팅된 유기층, 예를 들어 트립티센, 디벤조시클로옥타테트라엔, 또는 임의의 다른 적합한 분자를 포함할 수도 있다. 이러한 분자들은 일반적으로 3D 구조들을 나타낼 수도 있는데, 이 3D 구조들은 박막이 압착되거나 또는 달리 압축될 때 서로 간에 자연스럽게 바싹 다가붙을 수도 있다. 이들 재료들은 또한 분자가 압축될 때 전극들 사이의 터널링 장벽이 변화하도록 하는 특성들을 가질 수도 있다. 예를 들어, 그를 통한 터널링 장벽 임계치는 분자(들)의 압축 시에 상당히 낮아질 수도 있다. 이러한 경우에, 탄성 변형가능 재료의 분자(들)가 비교적 강성이 될 가능성이 있음에도 불구하고, 분자(들)는 압축 시에 입체형태 변화를 겪어, 전극들 사이에 상당한 터널링 전류 발생을 초래할 수도 있다. 도 17 및 도 19에 도시된 디벤조시클로옥타테트라엔(디벤조COT; dibenzocyclooctatetraene)은 유리하지 않은 반방향족 열역학적 상태(anti-aromatic thermodynamic state)를 회피하기 위해 그의 바닥 상태(ground state)에서 아치형 터브-유사 형상(arched, tub-like shape)을 취하는 작은 분자이다. 그러나, 디벤조COT는 도 19의 전기기계 디바이스의 실시형태에 대해 또한 도시된 바와 같이 실질적으로 평탄화된 반방향족 상태가 되도록 강요될 수 있다. 이것은 구조에 있어서의 입체형태 변화를 초래하고, 이 경우 반방향족 시스템의 화학적 불안정성으로 인해 상당한 복원력이 발생된다. 도 19의 실시형태에 도시된 바와 같이, 전극들이 함께 더 가까워질 때, 전극들 사이의 터널링 길이는 감소한다. 탄성 변형가능 층이 디벤조COT를 포함할 때, 디벤조COT가 압축된 평탄한 상태(compressed flat state)에서 비국소 환형 π-계들의 중첩(overlap of delocalized cyclic π-systems)을 허용할 수도 있기 때문에, 터널링 장벽이 더욱 감소될 수도 있다. 즉, 압축된 디벤조COT는 아치형 터브-유사 형상으로 있을 때보다 이를 통한 더 많은 양의 전류를 허용할 수도 있다. 따라서, 압축될 때, 디벤조COT의 존재는 전극들이 함께 더 가까워짐에 따라 전극들 사이의 총 전류를 증가시킬 수도 있다. 그 중에서도, 본 개시내용에 따른 전기기계 디바이스들을 개발하기 위해 사용될 수도 있는 작은 유기 분자들은 트리스-(8-히드록시퀴놀린)알루미늄(alq3), 트립티센 및 트립티센 유도체들이다. 이들 분자들의 화학 구조들은 분자들이 비교적 낮은 패킹 밀도를 갖는 박막들을 형성하는 경향이 생기게 할 수도 있다. 이러한 분자들이 낮은 패킹 밀도를 나타낼 때, 형성된 층은 비교적 낮은 강성을 가져서, 개방 스위치 위치로부터 폐쇄 스위치 위치로의 디바이스의 저전압 작동을 허용할 수도 있다. 탄성 변형가능 재료는 임의의 다른 적합한 조성물을 포함할 수도 있다. 다양한 실시형태들에서, 탄성 변형가능 재료는 덴드리머(dendrimer)(예컨대, 코어 둘레에 종종 실질적으로 대칭인 반복 분지형 분자(repetitively branched molecules)), 별형 중합체(star polymer), 생체중합체(biopolymer)(예컨대, 콜라겐, 탄수화물, 펩티드 등), 수소-결합 매트릭스(hydrogen-bonded matrices), 유기 나노입자, 개질된 탄소 나노튜브(modified carbon nanotube), 산화환원 민감성 중합체(redox-sensitive polymer), 또는 다른 적절한 재료를 포함할 수도 있다. 다른 적합한 조성물들의 사용이 본 개시내용의 범위 내에 있는 한, 탄성 변형가능 재료는 본 명세서에 서술된 조성물들로 한정되지 않음을 이해해야 한다. 몇몇 실시형태들에서, 전기기계 디바이스는 반도전성 기판을 포함하지 않는다. 또는, 다양한 실시형태들에서, 기판은 기계적 토대만을 제공한다. 실리콘(silicon) 및 다른 반전도성 재료들이 이 토대를 제공할 수도 있지만, 그들의 자연 전도도(natural conductivity)는 또한 이러한 재료들이 구축되는 회로들에 대해 원치않는 부유 용량(stray capacitance) 및 손실에 기여할 수도 있다. 따라서, 본 명세서에 설명된 전기기계 디바이스들은 일반적으로 방사선 손상에 대해 강건하여, 장기간 동작성을 제공할 수도 있다. 몇몇 실시형태들에서, 본 개시내용에 따른 전기기계 디바이스가 배치되는 기판은 실질적으로 비-전도성이다. 예를 들어, 기판은 유리, 알루미나, 석영 또는 사파이어와 같은 절연체일 수도 있다. 전기기계 디바이스들은 임의의 적합한 방법에 따라 제조될 수도 있다. 일반적으로, 이러한 디바이스들이 서브미크론 치수(submicron dimension)를 가질 수도 있으므로, 이러한 디바이스들의 제조는 나노스케일 정밀도를 수반할 수도 있다. 다양한 실시형태들에서, 소스 전극, 게이트 전극 및 드레인 전극의 각각을 형성하기 위해 원자층 피착(atomic layer deposition), 전자빔 리소그래피, 금속 증착(metal evaporation) 및/또는 다른 적합한 기법들의 조합이 사용될 수도 있다. 유기 박막들, 분자 단층들 및/또는 다른 탄성 변형가능 층들은, 유기 분자들의 자기조립, 증착(evaporation), 스핀 코팅(spin-coating), 딥 코팅(dip-coating) 및/또는 다른 적합한 기법들을 사용하여 형성될 수도 있다. 도 20은 본 명세서에 설명된 전기기계 디바이스들을 제조하기 위한 공정 흐름의 예시적인 실시형태를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 적합한 전도성 재료(예컨대, 금속, Cr, Au, Ag, 비-금속 전도성 재료 등)로 형성된 제1 전극(예컨대, 하부 전극)이 기판 상으로 피착(예컨대, 열적으로 증착)될 수도 있다. 상기 서술된 바와 같이, 기판은 임의의 적합한 재료를 포함할 수도 있고, 몇몇 경우에는, 절연 재료(예컨대, 비-전도성, 비-반도전성)일 수도 있다. 제1 전극은 요구되는 치수들에 따라 기판 상으로, 예를 들어, 섀도우 마스크(shadow mask)의 사용을 통해서, 또는 종래의/전자빔 리소그래피 단계에 이어서 리프트 오프(lift-off)를 통해서 패터닝될 수도 있다. 이어서 전도성 전극(들)의 표면 상으로 탄성 변형가능 층으로서의 유기 박막을 피착할 수도 있다. 사용되는 분자(들)에 따라, 이러한 막은 자기조립 단층(예컨대, 티올화 분자들(thiolated molecules), PEG-디티올 등)으로서, 예를 들어 작은 결정질 분자들을 사용하여 열적 증착, 스핀 코팅 및/또는 딥 코팅에 의해 형성될 수 있다. 자기조립을 가능하게 하기 위해, 패터닝된 하부 전극(들)으로 덮힌 기판을 원하는 분자들(예컨대, 티올 분자들)의 용액 속에 넣을 수도 있고, 이 경우 자기조립이 완료되기 위해 충분한 시간이 허용된다. 몇몇 실시형태들에서, 전극(들) 상에 형성된 자기조립 단층 상으로 전도성 유기 완충층(conductive organic buffer layer)(예컨대, SpTPD, PEDOT:PSS)을 피착할 수도 있다. 완충층은 제2 전극(예컨대, 상부 전극)의 후속 피착과 연관될 수도 있는 바람직하지 않은 영향을 완화시키는 데에 유용할 수도 있다. 예를 들면, 완충층의 사전 피착 없이, 제2 전극이 비교적 고온에서 자기조립 단층 위에 증착되는 경우, 자기조립 단층은 고온 증착에 의해 손상될 수 있다. 게다가, 자기조립 단층이 얇고 그리고/또는 희박한 경우, 그들 위에 피착된 전도성 입자들(예컨대, 금속 입자들)은 층을 통해 침투하는 경향이 있어서, 전기적 단락을 야기하고 디바이스 수율을 저하시킬 수도 있다. 그리하여, 완충층의 포함은 유기층에 전도성 입자들의 침투를 실질적으로 방지하는 데에 유용하여, 전체적인 디바이스 수율 및 성능을 향상시킬 수도 있다. 이어서 완충층 위에, 예를 들어 열적 증착을 통해 제2 전극(예컨대, 상부 전극)을 피착할 수도 있다. 본 명세서에 설명된 전기기계 디바이스들의 제조에서 생길 수도 있는 2개의 과제들은 비교적 희박한 SAM들의 형성 및 SAM들 상의 상부 전극의 설치에 있다. 본 개시내용에 따른 전기기계 디바이스들을 제조하기 위한 대안적인 접근법은 그래핀(또는 그래핀 옥사이드) 상부 전극들의 사용을 통해서, 예를 들어 정전기적 층별 조립(electrostatic layer-by-layer assembly)을 사용하는 것일 수도 있다. 몇몇 실시형태들에서, 탄성 변형가능 층은, 예를 들어, 하부 전극(들) 상으로 화학적으로 개질된 그래핀 또는 그래핀 옥사이드(GO; graphene-oxide) 시트들의 자기조립을 이용함으로써, 상부 전극과 동시에 형성되는 유기 박막으로서 제공될 수도 있다. 예를 들어, 도 21에 도시된 바와 같이, 관련 기술분야에서의 통상의 기술자들에게 공지된 기법들을 사용하면, 평면 입체형태를 갖는 GO는, 알킬 티올 기들과 대향 측부들 상에서 공유결합으로 기능화되어 티올GO(thiolGO)를 수득할 수도 있다. GO 상에서의 알킬 티올 기들의 밀도는 화학 반응의 조건들을 변경함으로써(예컨대, 배양 시간, 알킬 티올 분자들의 농도 등을 조정함으로써) 적합하게 변화될 수 있다. 그리하여, 분자들의 밀도의 제어는 재료의 강성의 직접적인 제어를 가능하게 한다. 티올GO 분자들은 더욱 화학적으로 개질되어(예컨대, 환원되어), 시스템의 전체적인 전도도를 향상시키는 그래핀 상부 전극을 수득할 수 있다. 자기조립된 상부 전극에 기초한 제조 체계에서, 기능화된 GO(또는 그래핀)가 하부 전극들 상으로 드롭 캐스팅(drop-cast)되거나 또는 딥 코팅될 수도 있는데, 하부 전극들은 예를 들어, 인쇄, 전자빔 리소그래피 등에 의해 제조되었을 수도 있다. 몇몇 실시형태들에서, 기능화된 GO(또는 그래핀)는 기판 상에 패터닝되는 별도의 전극들에 걸쳐 브리지(bridge)를 형성한다. 티올 기들의 존재로 인해, 적합한 양(예컨대, 대략 1 ㎛ 2 )의 GO(또는 그래핀)는 도 21에 도시된 바와 같이, 금 하부 전극들에 접착하여, 요구되는 금속-분자-금속 접합을 형성한다. GO 시트는 그때 원하는 경우 금속 상부 전극이 증착될 수도 있는 보호용 완충층으로서 사용될 수 있다. 또는, GO 시트는 그 자체로 전극으로서 사용될 수도 있다. 도 22에 또한 나타낸 바와 같이, 전기기계 디바이스를 제조하기 위한 다양한 실시형태들에서, 유기 박막(예컨대, 자기조립된 분자 층)이 패터닝된 하부 Cr/Au 전극들 상에 형성된다. 금속 전극(들)에 대향하는 단부에서, 분자 층은 (도 22에서 양의 전하로서 도시된) 표면 전하를 제시한다. 그래핀(또는 그래핀 옥사이드) 층은 분자 사슬들의 층에 의해 제시되는 그 표면 전하에 대한 (음의 전하로서 도 22에서 도시된) 반대 전하를 획득하기 위해 화학적으로 개질된다. 반대로 하전된 분자 층 및 그래핀(그래핀 옥사이드) 시트들은 서로 끌어당겨서, 유기 막 위에 균일한 그래핀 층들의 형성을 촉진하여 금속-분자-금속 접합을 생성하고, 이는 2개의 하부 전극들에 걸쳐 브리지를 형성한다. 하부 전극(들)과 그래핀 사이의 후속 작동 전압 및/또는 힘의 인가는 유기 박막의 압축을 초래한다. 상부 전극과 하부 전극 사이의 갭에 의해 제공되는 이격 거리의 감소는 터널링 전류의 기하급수적인 증가를 초래하여, 스위치를 턴 온시킨다. 몇몇 실시형태들에서, 상부 전극(들)은 적합한 인쇄 기법(예컨대, 나노-전사 인쇄(nano-transfer printing))을 통해서 피착될 수도 있다. 예를 들어, 일단 탄성 변형가능 층(예컨대, 유기 박막)이 하부 전극 상에 적합하게 피착되면, 전사 패드 또는 스탬프를 사용하여 상부 전극(들)을 형성할 수도 있다. 몇몇 경우에, 상부 스탬핑된 전극(upper stamped electrode)은 Au, Ag, 그래핀, 또는 다른 적합한 전도성 재료로 구성될 수도 있다. 도 23은 원하는 전도성 재료(예컨대, 금속)의 박막으로 덮힌 탄성 중합체 스탬프를 이용하여, 하부 전극(예컨대, 금속 기판) 상에 이미 형성된 유기 박막 상으로 전도성 재료를 스탬핑하는 실시형태의 개략도를 나타낸다. 나노-전사 인쇄는 상부 전극의 형성 시에 유기 박막의 분자들을 손상시키거나 또는 달리 악영향을 미치지 않는 저온 접근법이다. 게다가, 이러한 공정은 완충층을 요구하지 않을 것이므로, 직접적인 금속-분자 접합들의 형성을 허용할 수도 있다. 도 9에 대해 상기 언급된 바와 같이, 전극들 사이의 터널링 갭들을 지원하기 위한 분자 층을 채용할 필요가 없다. 도 24는 본 명세서에 포함되는 탄성 변형가능 층을 요구하지 않는 전기기계 디바이스의 다른 예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 캔틸레버 빔 소스 전극이 각각의 게이트 전극 및 드레인 전극 위에 제공된다. 드레인 전극은 캔틸레버 빔의 자유 단부에 더 가깝게 위치되고, 게이트 전극은 고정 단부에 더 가깝게 위치된다. 게이트 전극과 소스 전극 사이에 인가되는 전압은 빔이 휘어지게 하여, 이에 따라 드레인-소스 터널링을 허락하도록 드레인-소스 갭을 가깝게 할 것이다. 게이트-소스 갭의 위치는 빔의 감쇠 포인트(damped point)에 또는 그 근처에 있고, 이는 또한 빔의 고정 단부에 더 가깝고, 그리하여, 이 갭은 게이트 전극과 소스 전극 사이의 터널링을 허락하기에 충분히 가깝지는 않을 것이다. 드레인-소스 전압에 의해 발휘되는 힘이 빔을 편향하게 할 수도 있지만, 그 힘의 영향은 드레인 전극을 좁게 만듦으로써 감소되거나 또는 달리 최소화될 수 있다. 즉, 게이트 전극은 드레인 전극보다 더 두꺼울 수도 있으므로, 게이트 전극은 드레인 전극에 비교해서 더 큰 힘으로 소스 전극을 끌어당긴다. 결과적으로, 소스 전극 및 드레인 전극은 사용 동안 직접 접촉될 가능성이 더 적다. 상기 서술된 바와 같이, 오목한 게이트(recessed gate)를 사용하여, 더 넓은 초기 게이트-소스 갭을 초래하여, 게이트 전극과 소스 전극 사이의 바람직하지 않은 터널링의 기회를 최소화할 수도 있다. 일반적으로, 본 명세서에 설명된 다양한 터널링 디바이스들은 터널링 전류를 차단하는 것과 터널링 전류를 지원하는 것 사이의 동작의 가능한 유닛들의 연속체(continuum)를 제공하고, 여기서 디바이스들은 공통 트랜지스터 또는 다른 전기 요소와 마찬가지로, 전자적으로 제어된 전도 밸브들 및/또는 스위치들로서 작용할 수 있다. 그리하여, 본 명세서에 제공된 구조들 중 임의의 것은 디지털 회로 및 아날로그 회로 둘 모두를 구현하기 위해 사용될 수도 있다. 도 24를 다시 참조하면, 전기기계 디바이스의 이러한 실시형태는 4-단계 절차에 따라 제조될 수도 있다. 제1 단계는 금속-1 게이트 전극과 드레인 전극의 피착 및 패터닝을 수반한다. 제2 단계는 터널링 갭의 부위를 유지하는 희생 재료의 피착 및 패터닝을 수반한다. 제3 단계는 금속-2 소스 캔틸레버 전극의 피착 및 패터닝을 수반한다. 제4의 마지막 단계는 캔틸레버를 해제하기 위해 희생 재료의 언더컷 제거(under-cut removal)를 수반한다. 금속-2 층은 또한 2-레벨 회로 배선을 허락하도록 브리지들을 상호접속하기 위해 사용될 수 있음을 유의한다. 이와 같이, 도 24에 도시된 바와 같은 캔틸레버는 충분히 평면이고 평활하고 좁은 게이트-소스 갭 및 드레인-소스 갭을 갖고 제조될 수도 있다. 도 25는 게이트-소스 전압에 의해 작동되는, 금 전극들로 구성되는 예시 밸브/스위치로부터 예상되는 성능을 도시한다. 파선 곡선은 드레인-소스 터널링 갭을 나타내고, 실선 곡선은 예시 터널링 나노전기기계 시스템 아날로그 밸브의 정규화된 드레인-대-소스 전도도(normalized drain-to-source conductance)를 나타낸다. 여기서, 갭 및 전도도는 둘 모두 캔틸레버의 자유 단부에서 산출된다. 전도도는 터널링 갭의 단면적으로 정규화된다. 게이트-소스 전압이 증가함에 따라, 전극들 사이의 터널링 갭은 감소하고, 터널링 전도도는 현저하게 증가한다. 0.35 V의 게이트-소스 전압 근방에서, 트랜스컨덕턴스(transconductance)는 60 mV 당 대략 60 데케이드(decade)이고, 이는 반도전성 트랜지스터의 이득을 훨씬 초과한다는 것에 주목한다. 캔틸레버 편향은 캔틸레버 두께의 세제곱에 대해 반비례로 커지고, 그래서 유용한 동작 전압은 더 얇은 캔틸레버들을 허락하는 나노제조 재료들 및 공정들에 의해 상당히 더 작게 될 수 있다는 것에 또한 주목한다. 도 24 및 도 25의 예에서, 소스 캔틸레버는 5 마이크로미터 길이 및 100 nm 두께이고, 편향되지 않을 때 게이트 전극 및 드레인 전극보다 10 nm 위에 올라 있다. 게이트 전극은 캔틸레버 빔의 고정된 클램핑 단부에서 2 마이크로미터 연장된다. 드레인 전극은 캔틸레버의 자유 단부 아래에 중심을 두고 비교적 좁게 되도록 구성된다. 도 25에 나타낸 바와 같이, 갭들이 대략 4.0 nm에서부터 1.0 nm로 좁아짐에 따라 터널링 전도도는 현저하게 증가할 수도 있다. 따라서, 몇몇 실시형태들에 대해, 아마도 5 nm 내지 10 nm의 개방 갭은 개방 스위치 위치를 나타낸다. 그리하여, 나노미터-스케일 거칠기가 내부 갭 표면들에 대해 바람직할 수도 있다는 결론이 나온다. 임의의 바람직하지 않은 게이트-소스 턴온 전압을 감소시키기 위해, 좁은 갭 및 길고 얇은 (면외(out-of-plane)) 캔틸레버가 채용될 수도 있다. 갭 분리는 터널링 요건들에 의해 설정될 수도 있기 때문에, 캔틸레버의 기계적 설계는 비교적 저전압 동작을 제공할 수도 있다. 몇몇 실시형태들에서, 100 nm 두께(면외) 및 1 내지 10 마이크로미터의 길이를 갖는 금속 캔틸레버들이 적합할 수도 있다. 길이-갭-분리의 종횡비는 캔틸레버가 실질적으로 평면이 되는 것을 허용할 수도 있다. 몇몇 경우에, 캔틸레버의 폭(면내)은 캔틸레버 길이의 거의 10%이어서, 제조 동안 언더컷 해제를 용이하게 할 수도 있다. 몇몇 실시형태들에서, 예를 들어, 5 nm 내지 10 nm 게이트/드레인-소스 갭의 제조는 희생 재료의 사용을 수반할 수도 있는데, 희생 재료는 금속 2의 피착 이후에 에칭되어 제거된다. 습식 에칭 해제와 연관된 전형적인 점착을 회피하기 위해, 폴리실리콘과 같은 적합한 재료가 희생 재료로서 사용될 수도 있다. 폴리실리콘은 이방성으로 에칭될 수 있고 심지어 XeF2 플라즈마에서 깊게 언더컷될 수 있다는 점에서 유리할 수도 있다. 폴리실리콘은 원하는 갭에 비해 너무 두꺼운 아마도 100 nm에 이르기까지 층들에서 피착될 수 있다. 그러나, 그 피착에 이어서, 폴리실리콘은 저온 건조 분위기에서 서서히 산화될 수 있다. 이것은 폴리실리콘의 마지막 10 nm를 제외하고는 모두의 시한 산화(timed oxidation)를 허락해야 한다. 산화된 폴리실리콘은 희생 폴리실리콘의 10 nm 층을 남기고 HF에 의해 제거된다. 폴리실리콘이 이 기법을 사용하여 신뢰성 있게 박형화될 수 없다면, 금속들로부터 유기물들까지 이르는 많은 희생 재료들 중 하나의 희생 재료의 습식 에칭이 채용될 수도 있다. 습식 에천트가 건조함에 따라 점착을 촉진시키도록 그의 표면 장력을 통해서 캔틸레버를 기판을 향해 잡아당기는 경우, 에천트는 물과 알코올의 혼합물로 헹굼될 수도 있는데, 물과 알코올의 혼합물은 건조 이전에 궁극적으로 냉동된다. 이어서 승화(sublimation)를 사용하여 캔틸레버를 기판으로 끌어당기지 않고서 냉동된 헹굼제를 제거할 수도 있다. 캔틸레버 평면성을 유지시키기 위해, 일단 캔틸레버가 희생 재료로부터 해제되면 그의 피착 동안 금속 2에서 발달되는 내부 응력이 관리될 수도 있다. 예를 들어, 피착 동안 또는 피착 이후에, 금속 2는 금속 2에 내부적인 응력을 최소화하고 그리고/또는 삭제하기 위해 느린 열적 이완으로 어닐링될 수도 있다. 또는, 얇은 부차적인 금속이 금속 2 위에 피착되어 원래의 내부 응력을 잘라내고/소거할 수도 있다. 즉, 원래의 압축 응력은 인장 응력에 의해 잘라내질 수도 있고, 그리고/또는 그 역도 또한 그러하다. 또는, 브리지를 형성하기 위해 캔틸레버가 양단부에서 클램핑되는 대안적인 밸브 설계가 채용될 수도 있다. 이 경우에, 브리지의 양단부 아래의 대칭 게이트들은 중심 드레인을 향해 아래로 브리지를 당길 수도 있다. 몇몇 경우에, 게이트 전하가 변화될 수 있는 속도는 캔틸레버의 기계적 공진보다 여러 자릿수 더 빠를 수도 있고, 그래서 캔틸레버의 기계적 공진의 영향들은 게이트 전하의 영향들을 지배할 수도 있다. 상기 서술된 예시 밸브에 대해, 기계적 공진 주파수는 1 MHz보다 약간 높을 수도 있고; 이를 달성하기 위해, 큰 캔틸레버 슬루(cantilever slew)들이 요망되는 경우, 진공 포장을 통한 압착 막 감쇠의 감소가 요구될 수도 있다. 공진 주파수는 감소하는 캔틸레버 길이의 제곱에 따라 증가할 것이다. 그리하여, 밸브의 크기가 감소됨에 따라, 응답은 더 신속해진다. 추가적으로, 진보된 나노제조 기술들에 의해 어쩌면 허락된, 캔틸레버에 대한 더 얇고 더 적은 벌크 재료들의 사용은 응답 속도를 증가시킬 수도 있다. 본 개시내용에 따른 전기기계 디바이스들의 실시형태들은, 반도체 트랜지스터들의 특징인 60 mV 당 1.0 데케이드를 능가하는 트랜스컨덕턴스를 나타내면서 1.0 V 미만에서 동작할 수 있는 터널링 나노전기기계 시스템 아날로그 밸브를 제공할 수도 있다. 이러한 디바이스들은 아날로그 회로들 내에 포함되고 아날로그 회로들의 일부로서 기능할 수도 있다. 그들의 큰 예상된 트랜스컨덕턴스 및 그들의 저전압 역량을 고려해 볼 때, 이러한 디바이스들은 프론트 엔드 증폭기들 및 A/D 변환기들과 같은 저전압 초저전력 아날로그 회로들에 대해 매우 적합할 수도 있다. 예를 들면, 이러한 디바이스들은 전압 비교기로서 사용하기 위한 고이득 증폭기에서 사용될 수도 있다. 예를 들어, 비교기는 1.0 V 훨씬 미만의 공급 전압에서 동작하는 3-비트 플래시 A/D 변환기를 개발하기 위해 채용될 수도 있다. 도 26은 수평 작동형 전기기계 디바이스의 실시형태를 예시한다. 이러한 유형의 디바이스를 제조하기 위한 공정 흐름은 수직 작동형 디바이스에 대한 제조 공정 흐름과는 상이할 수도 있다. 이 실시형태에서, 소스 전극 및 드레인 전극은 전극들 사이의 유기 박막의 전달(delivery) 이전에 제조된다. 즉, 소스 전극은 기판 상에 피착되고, 드레인 전극은 별도의 기판 상에 피착되고, 이 전극들은 서로 적합한 거리로 이격되어 있다. 적합한 유기 박막이 기상(gas phase)을 통해서 전달되고 두 전극들에 접착된다. 예를 들어, 디티올의 각 단부 상의 자유 황 원자들이 대향 위치된 전극들과의 결합을 형성하도록 디티올이 각 전극 상에 피착될 수도 있다. 이어서, 제조된 디바이스는 본 명세서에 설명된 방법들에 따라 적절히 동작될 수도 있다. 도 27은 전극들 사이의 갭이 좁아짐에 따라 터널링 전류의 관찰된 기하급수적 증가를 예시한다. 제공되는 관계에 따르면, 알칸 티올과 같은 분자 층을 통한 터널링 전류는 터널링 길이의 감소에 따라 기하급수적으로 증가한다. 예를 들면, 전극들 사이의 갭에 의해 제공되는 이격 거리가 대략 4 nm일 때, 모든 실시형태들에서 그렇지는 않지만, 전극들 사이의 전류는, 인가 전압에 따라, 대부분 10 -15 A 내지 10 -12 A(예컨대, 10 -6 A 미만, 10 -9 A 미만, 10 -12 A 미만)의 범위에 이르는 무시해도 될 정도로 나타난다. 그렇지만, 전극들 사이의 갭이 대략 2 nm일 때, 전극들 사이의 전류는 몇몇 실시형태들에 대해 그리고 인가 전압에 따라, 10 -6 A 내지 10 -3 A의 범위에 이르는 전류를 여러 자릿수로(예컨대, 자릿수로 10 9 배 만큼) 급등한다. 도 27의 실시형태에서, 전극들 사이의 갭이 대략 0.5 nm일 때, 전극들 사이의 전류는 10 3 A 내지 10 6 A의 범위에 이르는 훨씬 더 많은 자릿수로 증가한다. 다른 범위 전류들에 대응하는 다른 터널링 갭들이 본 개시내용에 따른 다양한 전기기계 디바이스들에 대해 관찰될 수도 있음을 이해할 수 있다. 도 28에 도시된 바와 같이, 적합한 전기기계 디바이스의 전극들 사이의 유기 박막이 개방 스위치 위치로부터 폐쇄 스위치 위치로, 예를 들어 4 nm에서부터 2 nm로 압축될 때, 전류는 상당히, 예를 들어 ~10 9 배만큼 증가할 수도 있다. 그래도, 본 개시내용에 따른 전기기계 디바이스들은 각각의 개방 스위치 위치 및 폐쇄 스위치 위치의 다양한 특성들 및 특징들이 적절히 변화할 수 있도록 구성되고 배열될 수도 있음을 이해할 수 있다. 예를 들어, 개방 스위치 위치에 있을 때, 전극들은 서로 적절한 거리로 이격될 수도 있다. 몇몇 실시형태들에서는, 개방 스위치 위치에서, 전극들이 3.0 nm 초과, 3.5 nm 초과, 4.0 nm 초과, 4.5 nm 초과, 5.0 nm 초과, 6.0 nm 초과, 7.0 nm 초과, 8.0 nm 초과, 9.0 nm 초과, 10.0 nm 초과, 또는 그보다 큰 거리로 이격되어 있다. 몇몇 실시형태들에서는, 개방 스위치 위치에서, 전극들이 20.0 nm 미만, 15.0 nm 미만, 10.0 nm 미만, 9.0 nm 미만, 8.0 nm 미만, 7.0 nm 미만, 6.0 nm 미만, 5.0 nm 미만, 또는 그보다 작은 거리로 이격되어 있다. 폐쇄 스위치 위치에 있을 때, 전극들은 전극들이 개방 스위치 위치에 있을 때보다 더 가까운 서로 적합한 거리로 이격될 수도 있다. 몇몇 실시형태들에서는, 폐쇄 스위치 위치에서, 전극들이 10.0 nm 미만, 9.0 nm 미만, 8.0 nm 미만, 7.0 nm 미만, 6.0 nm 미만, 5.0 nm 미만, 4.0 nm 미만, 3.5 nm 미만, 3.0 nm 미만, 2.5 nm 미만, 2.0 nm 미만, 1.5 nm 미만, 1.0 nm 미만, 0.5 nm 미만, 또는 그보다 작은 거리로 이격되어 있다. 몇몇 실시형태들에서는, 폐쇄 스위치 위치에서, 전극들이 1.0 nm 초과, 2.0 nm 초과, 2.5 nm 초과, 3.0 nm 초과, 3.5 nm 초과, 4.0 nm 초과, 5.0 nm 초과, 6.0 nm 초과, 7.0 nm 초과, 또는 그보다 큰 거리로 이격되어 있다. 실시형태에서, 전극들 사이의 거리가 3 nm 미만 또는 2 nm 미만일 때, 디바이스는 폐쇄 스위치 위치에 있고, 여기서 전극들은 그들 사이의 직접 터널링을 수용하기에 충분히 가깝다. 반대로, 동일한 실시형태에 대해, 전극들 사이의 거리가 3 nm 초과일 때, 디바이스는 개방 스위치 위치에 있고, 여기서 전극들은 직접 터널링이 발생하기에 충분히 가깝지 않다. 전극들 사이의 이격 거리는 상기 언급된 값들 중 임의의 것 또는 다른 값들에 따른 상한 및/또는 하한을 갖는 범위들 내에 있을 수도 있다. 개방 스위치 위치 및/또는 폐쇄 스위치 위치에 대해 본 개시내용에 따른 디바이스들의 경우 전극들 사이의 거리는 상기 언급된 범위들 밖에 있을 수도 있음을 이해할 수 있다. 몇몇 경우에, 전극들 사이의 간격은 전극들을 분리시키는 탄성 변형가능 층의 두께에 의해 좌우된다. 도 29 및 도 30은 2 단자 전기기계 디바이스 및 3 단자 전기기계 디바이스의 각각의 예들을 도시하고, 여기서 탄성 변형가능 층이 특정한 범위 (예컨대, 약 6.5 MPa 미만) 내에 있는 강성(즉, 스프링 상수)을 가질 때, 비교적 저전압(예컨대, 약 1.0 V 미만)의 인가는 온 상태와 오프 상태 사이에서 디바이스를 작동시키기 위해 충분하였음이 관찰되었다. 상기 언급된 바와 같이, 일반적으로, 탄성 변형가능 층의 강성이 낮을수록, 디바이스를 개방 스위치 위치로부터 폐쇄 스위치 위치로 작동시키기 위한 작동 전압이 낮아진다. 도 31은 대향 전극들을 분리시키는 탄성 변형가능 자기조립 단층 막을 포함하는 전기기계 디바이스들의 다수의 예들의 표를 도시한다. 최소 작동 전압, 스위칭 에너지 및 스위칭 시간의 관점에서 디바이스의 성능 한계들은 자기조립 단층의 영률(Young's modulus)의 함수들로서 평가된다. 여기서, 본 개시내용의 모든 실시형태들의 요건은 아니지만, 대략 1.0 MPa 또는 그 미만의 영률은 밀리볼트 범위 내의 최소 작동 전압, 10 keV 미만의 스위칭 에너지 및 나노초 스위칭을 허용할 수도 있다. 탄성 변형가능 층의 더 낮은 강성이 디바이스에 대한 더 낮은 작동 전압을 야기할 수도 있지만, 유기 분자들의 이완 특성들로 인해, 스위칭 시간은 증가할 수도 있다. 그래도, 많은 요인, 예를 들어, 다른 것들 중에서도 분자 층의 영률, 전극 치수들, 전극 질량, 인가 전압이 디바이스의 스위칭 시간에 영향을 미칠 수도 있음을 이해할 수 있다. 몇몇 실시형태들에서, 본 명세서에 설명된 전기기계 디바이스들의 터널링 현상은 온도에 의해 현저하게 영향을 받지는 않는다. 게다가, 금속의 적절한 선택에 의하면, 터널링 갭들을 형성하는 재료들의 기계적 특성들 및 전기기계적 움직임들은 또한 상당한 범위에 걸쳐 온도에 의해 크게 영향받지 않게 될 수도 있다. 그리하여, 전자 시스템들에서 본 개시내용에 따른 디바이스들의 실시형태들을 채용함으로써, 이러한 가전의 전기적 성능은 온도에 민감하지 않아서, 극한 환경에서의 성공적인 전개를 가능하게 한다. 명백히 반대로 나타내지 않는 한, 하나 초과의 단계 또는 작용을 포함하는 본 명세서에서 청구되는 임의의 방법들에서, 방법의 단계들 또는 작용들의 순서는 그 방법의 단계들 또는 작용들이 나열되는 순서로 반드시 한정되지는 않음을 또한 이해해야 한다. 본 발명의 양태들이 다양한 예시적인 실시형태들을 참조하여 설명되었지만, 이러한 양태들은 설명되는 실시형태들로 한정되지 않는다. 그리하여, 설명되는 실시형태들의 수많은 대안예들, 변형예들 및 변경예들은 관련 기술분야에서의 통상의 기술자들에게 자명하다는 것이 확실하다. 따라서, 본 명세서에 진술되는 바와 같은 실시형태들은 한정이 아닌 예시로서 의도된 것이다. 본 발명의 양태들의 취지로부터 벗어나지 않는 한 다양한 변화들이 이루어질 수도 있다. |
