納米機電系統（NEMS）是一類在納米級集成了電氣和機械功能的設備。納米機電系統由所謂的微機電系統或納米機電系統器件構成了下一步的邏輯小型化步驟。NEMS通常將類似于晶體管的納米電子器件與機械致動器、泵或電動機集成在一起，從而可以形成物理、生物和化學傳感器。該名稱源自納米范圍內的典型器件尺寸，從而導致低質量，高機械共振頻率以及潛在的大量子力學效應（例如零點運動），以及高的表面體積比，可用于基于表面的傳感機制。應用包括加速度計和傳感器，以檢測空氣中的化學物質。

納米機電系統技術的許多常用材料都是碳基材料，特別是金剛石、碳納米管和石墨烯。這主要是由于直接滿足納米機電系統需求的碳基材料的有用特性。碳的機械性能（例如大的楊氏模量）對于NEMS的穩定性至關重要，而碳基材料的金屬和半導體電導率則使其能夠充當晶體管。

石墨烯和金剛石都表現出高楊氏模量、低密度、低摩擦、極低的機械耗散和較大的表面積。碳納米管的低摩擦力，使得軸承幾乎無摩擦，因此一直是碳納米管作為納米機電系統的構成元素（如納米電機、開關和高頻振蕩器）的實際應用的巨大動力。碳納米管和石墨烯的物理強度使碳基材料能夠滿足更高的應力要求，而普通材料通常會失效，因此進一步支持了它們作為NEMS技術開發中的主要材料。

除了碳基材料的機械優勢外，碳納米管和石墨烯的電性能還使其可用于NEMS的許多電子組件中。已經為碳納米管和石墨烯開發了納米晶體管。晶體管是所有電子設備的基本組成部分之一，因此，通過有效開發可用的晶體管、碳納米管和石墨烯對NEMS至關重要。

納米機械諧振器通常由石墨烯制成。隨著納米機電系統諧振器尺寸的縮小，總的趨勢是質量因數與表面積與體積之比成反比。然而，盡管面臨這一挑戰，但已通過實驗證明它達到了高達2400的品質因數。品質因數描述了諧振器振動音調的純度。此外，從理論上已經預測，在所有側面夾持石墨烯膜可產生更高的質量數。石墨烯NEMS還可以用作質量、力和位置傳感器。

碳納米管（CNT）是具有圓柱形納米結構的碳的同素異形體。它們可以認為是石墨烯。當以特定和離散（“?手性?”）角度滾動時，滾動角度和半徑的組合決定了納米管是否具有帶隙（半導體）或無帶隙（金屬）。

金屬碳納米管還可以用于納米電子互連，因為它們可以承載高電流密度。這是有用的屬性，因為用于傳輸電流的電線是任何電氣系統的另一個基本組成部分。碳納米管在納米機電系統中的用途特別廣泛，因此已經發現了將懸浮的碳納米管連接到其他納米結構的方法。這允許碳納米管形成復雜的納米電系統。由于可以對碳基產品進行適當的控制，并且可以充當互連以及晶體管，因此它們是NEMS電氣組件中的基本材料。

與NEMS開關相比，MEMS開關的主要缺點是MEMS的微秒范圍切換速度有限，這會妨礙高速應用的性能。通過將器件從微米級縮小到納米級，可以克服對開關速度和驅動電壓的限制。將基于碳納米管（CNT）的NEMS開關與其對應的CMOS的性能參數進行比較，發現基于CNT的NEMS開關在較低的能耗水平下仍保持性能，并且亞閾值泄漏電流比其小幾個數量級。 CMOS開關。具有雙鉗位結構的基于CNT的NEMS作為浮柵非易失性存儲器應用的潛在解決方案正在得到進一步研究。

石墨烯的機械和電子性能使其非常適合集成到NEMS加速度計中，例如用于心臟監測系統和移動運動捕捉的小型傳感器和執行器。石墨烯的原子尺度厚度為加速度計從微米尺度縮小到納米尺度提供了一條途徑，同時保持了系統所需的靈敏度水平。

通過在雙層石墨烯碳帶上懸掛耐硅材料，可以制造出具有加速度計中當前生產的傳感器功能的納米級彈簧質量和壓阻傳感器。彈簧質量提供了更高的精度，并且石墨烯的壓阻特性將應變從加速度轉換為加速度計的電信號。懸浮的石墨烯帶同時形成彈簧和壓阻傳感器，從而有效利用空間，同時改善了NEMS加速度計的性能。

高粘附力和摩擦引起的失效是許多NEMS所關注的問題。由于具有很好的微加工技術，NEMS經常使用硅。但是，其固有的剛度通常會妨礙帶有活動部件的設備的功能。

俄亥俄州立大學研究人員進行的一項研究比較了具有天然氧化物層的單晶硅與PDMS涂層的附著力和摩擦參數。PDMS是一種有機硅彈性體，具有很高的機械可調性、化學惰性、熱穩定性、可透氣性、透明、無熒光、生物相容性和無毒性。通過控制聚合物鏈的交聯程度，PDMS的楊氏模量可以在兩個數量級范圍內變化，這使其成為NEMS和生物學應用中的可行材料。PDMS可以與硅形成緊密的密封，因此可以輕松地集成到NEMS技術中，從而優化機械和電氣性能。像PDMS這樣的聚合物由于價格相對便宜，簡化且省時的原型制作和制造而開始在NEMS中引起關注。

休息時間的特征是與粘附力直接相關，相對濕度的增加導致親水性聚合物的粘合力增加。接觸角的測量和拉普拉斯力的計算支持了PDMS疏水性的表征，該特性有望與其相對于相對濕度的實驗驗證無關。PDMS的粘合力也不受靜止時間的影響，能夠在變化的相對濕度條件下通用地發揮作用，并且其摩擦系數低于硅樹脂。PDMS涂層有助于緩解高速問題，例如防止滑動。因此，即使在相當高的速度下，接觸表面上的摩擦仍然保持較低。實際上，在微觀上，摩擦隨著速度的增加而減小。

PDMS在NEMS技術中經常使用。例如，隔膜上的PDMS涂層可用于氯仿蒸氣檢測。

新加坡國立大學的研究人員發明了一種聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂層的納米機電系統隔膜，該隔膜嵌入了硅納米線（SiNWs），可在室溫下檢測氯仿蒸氣。在存在氯仿蒸氣的情況下，微隔膜上的PDMS膜會吸收蒸氣分子并因此增大，從而導致微隔膜變形。植入微隔膜中的SiNW在惠斯通電橋中連接，從而將變形轉化為定量的輸出電壓。此外，微膜片傳感器還展示了低功耗下的低成本處理。它具有可擴展性，超緊湊的尺寸和CMOS-IC工藝兼容性的巨大潛力。通過切換吸收蒸氣的聚合物層，

除了在材料部分中討論的內在特性外，PDMS還可以用于吸收氯仿，氯仿的作用通常與微隔膜的膨脹和變形有關。在這項研究中還測量了各種有機蒸氣。具有良好的老化穩定性和適當的包裝，可以減慢PDMS響應熱，光和輻射的降解速度。

當前阻礙許多NEMS設備商業應用的主要障礙包括低產量和高設備質量可變性。在實際實施NEMS設備之前，必須創建碳基產品的合理集成。金剛石已朝著這個方向邁出了最新一步，達到了與硅相當的加工水平。當前的重點是從實驗工作轉移到將實現這種新穎設備并從中受益的實際應用和設備結構。要克服的下一個挑戰包括了解這些碳基工具的所有特性，并利用這些特性制造出具有低故障率的高效耐用的NEMS。

碳基材料因其出色的機械和電氣性能而成為NEMS的主要材料。

• 納米機電繼電器
• 納米機電系統質譜儀
• 基于納米機電的懸臂

加州理工學院的研究人員開發了一種基于NEM的懸臂，具有高達甚高頻（VHF）的機械共振。結合基于壓阻金屬薄膜的電子位移傳感器有助于實現毫不含糊且高效的納米器件讀數。使用針對目標物質具有高分配系數的薄聚合物涂層對設備表面進行功能化，使基于NEMS的懸臂能夠在室溫下提供化學吸附測量，且質量分辨率小于1埃。基于NEMS的懸臂的其他功能已被用于傳感器，掃描探針和在非常高的頻率（100 MHz）下運行的設備的應用。