Nanoelectromechanical systems (NEMS) are drawing interest from both technical and scientific communities. These are electromechanical systems, much like microelectromechanical systems, mostly operated in their resonant modes with dimensions in the deep submicron. In this size regime, they come with extremely high fundamental resonance frequencies, diminished active masses,and tolerable force constants; the quality (Q) factors of resonance are in the range Q103105—significantly higher than those of electrical resonant circuits. These attributes collectively make NEMS suitable for a multitude of technological applications such as ultrafast sensors, actuators, and signal processing components. Experimentally, NEMS are expected to open up investigations of phonon mediated mechanical processes and of the quantum behavior of mesoscopic mechanical systems. However, there still exist fundamental and technological challenges to NEMS optimization. In this review we shall provide a balanced introduction to NEMS by discussing the prospects and challenges in this rapidly developing field and outline an exciting emerging application, nanoelectromechanical mass detection.

1.
M. L.
Roukes
,
Phys. World
14
,
25
(
2001
).
2.
A. N.
Cleland
and
M. L.
Roukes
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
2653
(
1996
).
3.
D. W.
Carr
,
S.
Evoy
,
L.
Sekaric
,
H. G.
Craighead
, and
J. M.
Parpia
,
Appl. Phys. Lett.
75
,
920
(
1999
).
4.
R. H.
Blick
,
M. L.
Roukes
,
W.
Wegscheider
, and
M.
Bichler
,
Physica B
249–251
,
784
(
1998
).
5.
Y. T.
Yang
,
K. L.
Ekinci
,
X. M. H.
Huang
,
L. M.
Schiavone
,
C.
Zorman
,
M.
Mehregany
, and
M. L.
Roukes
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
162
(
2001
).
6.
A. N.
Cleland
,
M.
Pophristic
, and
I.
Ferguson
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
2070
(
2001
).
7.
L.
Sekaric
 et al,
Appl. Phys. Lett.
81
,
4455
(
2002
).
8.
L.
Sekaric
,
D. W.
Carr
,
S.
Evoy
,
J. M.
Parpia
, and
H. G.
Craighead
,
Sens. Actuators, A
101
,
215
(
2002
).
9.
X. M. H.
Huang
,
C.
Zorman
,
M.
Mehregany
, and
M. L.
Roukes
,
Nature (London)
421
,
496
(
2003
).
10.
K. L.
Ekinci
,
Y. T.
Yang
,
X. M.
Huang
, and
M. L.
Roukes
,
Appl. Phys. Lett.
81
,
2253
(
2002
).
11.
M. L.
Roukes
,
Physica B
263–264
,
1
(
1999
).
12.
K. L.
Ekinci
,
X. M. H.
Huang
, and
M. L.
Roukes
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
4469
(
2004
).
13.
A.
Cleland
,
Foundations of Nanomechanics
(
Springer
, New York,
2003
).
14.
M. F.
Yu
,
G. J.
Wagner
,
R. S.
Ruoff
, and
M. J.
Dyer
,
Phys. Rev. B
66
,
073406
(
2002
).
15.
A.
Husain
,
J.
Hone
,
H. W. C.
Postma
,
X. M. H.
Huang
,
T.
Drake
,
M.
Barbic
,
A.
Scherer
, and
M. L.
Roukes
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
1240
(
2003
).
16.
V.
Sazonova
,
Y.
Yaish
,
H.
Ustunel
,
D.
Roundy
,
T. A.
Arias
, and
P. L.
McEuen
,
Nature (London)
431
,
284
(
2004
).
17.
J. Q.
Broughton
,
C. A.
Meli
,
P.
Vashishta
, and
R. K.
Kalia
,
Phys. Rev. B
56
,
611
(
1997
).
18.
R.
Phillips
,
Crystals, Defects and Microstructures
(
Cambridge University Press
, Cambridge,
2001
).
19.
X.
Li
,
T.
Ono
,
Y.
Wang
, and
M.
Esashi
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
3081
(
2003
).
20.
C. T.-C.
Nguyen
,
L P. B.
Katehi
, and
G. M.
Rebeiz
,
Proc. IEEE
86
,
1756
(
1998
).
21.
J. L.
Garbini
,
K. J.
Bruland
,
W. M.
Dougherty
, and
J. A.
Sidles
,
J. Appl. Phys.
80
,
1951
(
1996
).
22.
K. J.
Bruland
,
J. L.
Garbini
,
W. M.
Dougherty
, and
J. A.
Sidles
,
J. Appl. Phys.
83
,
3972
(
1998
).
23.
T. R.
Albrecht
,
P.
Grutter
,
D.
Horne
, and
D.
Rugar
,
J. Appl. Phys.
69
,
668
(
1991
).
24.
V. B.
Braginsky
and
F. Y.
Khalili
,
Quantum Measurement
(
Cambridge University Press
, Cambridge,
1992
).
25.
A. N.
Cleland
and
M. L.
Roukes
,
J. Appl. Phys.
92
,
2758
(
2002
).
26.
F. L.
Walls
and
J.
Vig
,
IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control
42
,
576
(
1995
).
27.
W. P.
Robins
,
Phase Noise in Signal Sources
(
Peter Pelegrinus Ltd.
, London,
1982
).
28.
A. H.
Nayfeh
and
T. R.
Mook
,
Nonlinear Oscillations
(
Wiley Interscience
, New York,
1979
).
29.
L. D.
Landau
and
E. M.
Lifshitz
,
Theory of Elasticity
(
Pergamon Press
, Oxford,
1959
).
30.
H. A. C.
Tilmans
,
M.
Elwenspoek
, and
H. J.
Flutiman
,
Sens. Actuators, A
30
,
35
(
1992
).
31.
V.
Kaajakari
,
T.
Mattila
,
A.
Oja
, and
H.
Seppa
,
J. Microelectromech. Syst.
13
,
715
(
2004
).
32.
D. S.
Greywall
,
B.
Yurke
,
P. A.
Busch
,
A. N.
Pargellis
, and
R. L.
Willett
,
Phys. Rev. Lett.
72
,
2992
(
1994
).
33.
K. L.
Turner
 et al,
Nature (London)
396
,
149
(
1998
).
34.
D. W.
Carr
,
S.
Evoy
,
L.
Sekaric
,
H. G.
Craighead
, and
J. M.
Parpia
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
1545
(
2000
).
35.
D. V.
Scheible
,
A.
Erbe
, and
R. H.
Blick
, and
G.
Corso
,
Appl. Phys. Lett.
81
,
1884
(
2002
).
36.
R.
Lifshitz
and
M. C.
Cross
,
Phys. Rev. B
67
,
134302
(
2003
).
37.
K. L.
Ekinci
,
Y. T.
Yang
, and
M. L.
Roukes
,
J. Appl. Phys.
95
,
2682
(
2004
).
38.
J. R.
Vig
and
Y.
Kim
,
IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control
46
,
1558
(
1999
).
39.
K.
Wang
and
C. T.-C.
Nguyen
,
Proceedings, 1997 IEEE International Micro Electro Mechanical Systems Workshop
,
Nagoya
, Japan, Jan. 26–30,
1997
, pp.
25
30
.
40.
T. D.
Stowe
,
K.
Yasumura
,
T. W.
Kenny
,
D.
Botkin
,
K.
Wago
, and
D.
Rugar
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
288
(
1997
).
41.
M. M.
Midzor
 et al,
J. Appl. Phys.
87
,
6493
(
2000
).
42.
K.
Kokubun
,
M.
Hirata
,
M.
Ono
,
H.
Murakami
, and
Y.
Toda
,
J. Vac. Sci. Technol. A
5
,
2450
(
1987
).
43.
F. R.
Blom
,
S.
Bouwstra
,
M.
Elwenspoek
, and
J. H. J.
Fluitman
,
J. Vac. Sci. Technol. B
10
,
19
(
1992
).
44.
K.
Yum
 et al,
J. Appl. Phys.
96
,
3933
(
2004
).
45.
R. B.
Bhiladvala
and
Z. J.
Wang
,
Phys. Rev. E
69
,
036307
(
2004
).
46.
L. D.
Landau
,
Fluid Mechanics
(
Pergamon
, Oxford,
1982
).
47.
V. B.
Braginsky
,
V. P.
Mitrofanov
, and
V. I.
Panov
,
Systems with Small Dissipation
(
The University of Chicago Press
, Chicago,
1985
).
48.
M. C.
Cross
and
R.
Lifshitz
,
Phys. Rev. B
64
,
085324
(
2001
).
49.
D. M.
Photiadis
and
J. A.
Judge
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
482
(
2004
).
50.
H.
Jiang
,
M.-F.
Yu
,
B.
Liu
, and
Y.
Huang
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
185501
(
2004
).
51.
X. M. H.
Huang
,
M. K.
Prakash
,
C. A.
Zorman
,
M.
Mehregany
, and
M. L.
Roukes
,
TRANSDUCERS ’03 Proceedings 12th International Conference on Solid State Sensors, Actuators and Microsystems
,
Boston
, June 8–12,
2003
.
52.
A. N.
Cleland
and
M. L.
Roukes
,
Sens. Actuators, A
72
,
256
(
1999
).
53.
K. C.
Schwab
,
Appl. Phys. Lett.
80
,
1276
(
2002
).
54.
R.
Lifshitz
and
M. L.
Roukes
,
Phys. Rev. B
61
,
5600
(
2000
).
55.
A. B.
Hutchinson
,
P. A.
Truitt
,
K. C.
Schwab
,
L.
Sekaric
,
J. M.
Parpia
,
H. G.
Craighead
, and
J. E.
Butler
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
972
(
2004
).
56.
S.
Evoy
,
A.
Olkhovets
,
L.
Sekaric
,
J. M.
Parpia
,
H. G.
Craighead
, and
D. W.
Carr
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
2397
(
2000
).
57.
K. Y.
Yasumura
,
T. D.
Stowe
,
E. M.
Chow
,
T.
Pfafman
,
T. W.
Kenny
,
B. C.
Stipe
, and
D.
Rugar
,
J. Microelectromech. Syst.
9
,
117
(
2000
).
58.
K. Y.
Yasumura
,
T. D.
Stowe
,
E. M.
Chow
,
T.
Pfafman
,
T. W.
Kenny
, and
D.
Rugar
,
Proceedings Technical Digest of the 1998 Solid-State Sensor and Actuator Workshop
,
Hilton Head Island
, SC, June 8–11, 1998 (
Transducer Research Foundation
, Cleveland,
1998
).
59.
J.
Yang
,
T.
Ono
, and
M.
Esashi
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
3860
(
2000
).
60.
J.
Yang
,
T.
Ono
, and
M.
Esashi
,
J. Vac. Sci. Technol. B
19
,
551
(
2001
).
61.
Y.
Wang
,
J. A.
Henry
,
D.
Sengupta
, and
M. A.
Hines
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
5736
(
2004
).
62.
D. F.
Mcguigan
,
C. C.
Lam
,
R. Q.
Gram
,
A. W.
Hoffman
,
D. H.
Douglass
, and
H. W.
Gutche
,
J. Low Temp. Phys.
30
,
621
1978
.
63.
R. N.
Kleiman
,
G.
Agnolet
, and
D. J.
Bishop
,
Phys. Rev. Lett.
59
,
2079
(
1987
).
64.
T.
Klistner
and
R. O.
Pohl
,
Phys. Rev. B
36
,
6551
(
1987
).
65.
William
Duffy
, Jr.
,
J. Appl. Phys.
68
,
5601
(
1990
).
66.
R. A.
Buser
and
N. F.
de Rooij
,
Sens. Actuators, A
21
,
323
(
1990
).
67.
D. S.
Greywall
,
B.
Yurke
,
P. A.
Busch
, and
S. C.
Arney
,
Europhys. Lett.
34
,
37
(
1996
).
68.
R. E.
Mihailovich
and
J. M.
Parpia
,
Phys. Rev. Lett.
68
,
3052
(
1992
).
69.
M. D.
LaHaye
,
O.
Buu
,
B.
Camarota
, and
K. C.
Schwab
,
Science
304
,
74
(
2004
).
70.
H.
Dai
,
Phys. World
13
,
43
(
2000
).
71.
J.
Chung
,
K.-H.
Lee
,
J.
Lee
, and
R. S.
Ruoff
,
Langmuir
20
,
3011
(
2004
).
72.
T. H.
Lee
and
A.
Hajimiri
,
IEEE J. Solid-State Circuits
35
,
326
(
2000
).
73.
Y. K.
Yong
and
J. R.
Vig
,
IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control
36
,
452
(
1989
).
74.
Y. K.
Yong
and
J. R.
Vig
,
IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control
37
,
543
(
1990
).
75.
D.
Enguang
,
IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control
49
,
649
(
2002
).
76.
77.
G. E.
Uhlenbeck
and
S.
Goudsmit
,
Phys. Rev.
34
,
145
(
1929
).
78.
D. S.
Greywall
,
B.
Yurke
,
P. A.
Busch
,
A. N.
Pargellis
, and
R. L.
Willett
,
Phys. Rev. Lett.
72
,
2992
(
1992
).
79.
W. C.
Tang
,
T. C. H.
Nguyen
,
M. W.
Judy
, and
R. T.
Howe
,
Sens. Actuators, A
21
,
328
(
1990
).
80.
J.
Soderkvist
and
K.
Hjort
,
J. Micromech. Microeng.
4
,
28
(
1994
).
81.
M.
Tortonese
,
R. C.
Barret
, and
C. F.
Quate
,
Appl. Phys. Lett.
62
,
834
(
1993
).
82.
J. W.
Wagner
,
Phys. Acoust.
19
,
201
(
1990
).
83.
T. G.
Bifano
,
J.
Perreault
,
R. K.
Mali
, and
M. N.
Horenstein
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
5
,
83
(
1999
).
84.
T. R.
Albrecht
,
P.
Grütter
,
D.
Rugar
, and
D. P. E.
Smith
,
Ultramicroscopy
42
,
1638
(
1992
).
85.
D. W.
Carr
,
L.
Sekaric
, and
H. G.
Craighead
,
J. Vac. Sci. Technol. B
16
,
3821
(
1998
).
86.
D. W.
Carr
,
S.
Evoy
,
L.
Sekaric
,
A.
Olkhovets
,
J. M.
Parpia
, and
H. G.
Craighead
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
1545
(
2000
).
87.
C.
Meyer
,
H.
Lorenz
, and
K.
Karrai
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
2420
(
2003
).
88.
B. E. N.
Keeler
,
D. W.
Carr
,
J. P.
Sullivan
,
T. A.
Friedmann
, and
J. R.
Wendt
,
Opt. Lett.
29
,
1182
(
2004
).
89.
T.
Kouh
,
D.
Karabacak
,
D. H.
Kim
, and
K. L.
Ekinci
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
013106
(
2005
).
90.
E.
Ollier
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
8
,
155
(
2002
).
91.
S. B.
Ippolito
,
B. B.
Goldberg
, and
M. S.
Unlu
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
4071
(
2001
).
92.
E. J.
Sánchez
,
L.
Novotny
, and
X. S.
Xie
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
4014
(
1999
).
93.
P. A.
Truitt
,
J.
Hertzberg
, and
K. C.
Schwab
,
Bull. Am. Phys. Soc.
50
,
1307
(
2005
).
94.
R. G.
Knobel
and
A. N.
Cleland
,
Nature (London)
424
,
291
(
2003
).
95.
M. P.
Blencowe
,
Proc. SPIE
5115
,
64
(
2003
).
96.
M. P.
Blencowe
and
M. N.
Wybourne
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
3845
(
2000
).
97.
R. G.
Beck
,
M. A.
Eriksson
, and
R. M.
Westervelt
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
1149
(
1998
).
98.
R.
Knobel
and
A. N.
Cleland
,
Appl. Phys. Lett.
81
,
2258
(
2002
).
99.
H. X.
Tang
,
X. M. H.
Huang
,
M. L.
Roukes
,
M.
Bichler
, and
W.
Wegscheider
,
Appl. Phys. Lett.
81
,
3879
(
2002
).
100.
I.
Bargatin
,
E. B.
Myers
,
J.
Arlett
,
B.
Gudlewski
, and
M. L.
Roukes
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
133109
(
2005
).
101.
M. F.
Bocko
,
Rev. Sci. Instrum.
61
,
3763
(
1990
).
102.
T. W.
Kenny
 et al,
J. Vac. Sci. Technol. A
10
,
2114
(
1992
).
103.
G.
Nunes
, Jr.
and
M. R.
Freeman
,
Science
262
,
1029
(
1993
).
104.
A. N.
Cleland
,
J. S.
Aldridge
,
D. C.
Driscoll
, and
A. C.
Gossard
,
Appl. Phys. Lett.
81
,
1699
(
2002
).
105.
A. N.
Cleland
and
M. L.
Roukes
,
Nature (London)
392
,
160
(
1998
).
106.
L.
Sekaric
,
M.
Zalalutdinov
,
S. W.
Turner
,
A. T.
Zehnder
,
J. M.
Parpia
, and
H. G.
Craighead
,
Appl. Phys. Lett.
80
,
3617
(
2002
).
107.
A.
Erbe
,
H.
Krömmer
,
A.
Kraus
,
R. H.
Blick
,
G.
Corso
, and
K.
Richter
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
3102
(
2000
).
108.
M. L.
Roukes
and
K. L.
Ekinci
, U. S. Patent 6,722,200 (20 April
2004
).
109.
B.
Ilic
,
H. G.
Craighead
,
S.
Krylov
,
W.
Senaratne
,
C.
Ober
, and
P.
Neuzil
,
J. Appl. Phys.
95
,
3694
(
2004
).
110.
N. V.
Lavrik
and
P. G.
Datskos
,
Appl. Phys. Lett.
82
,
2697
(
2003
).
111.
A.
Gupta
,
D.
Akin
, and
R.
Bashir
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
1976
(
2004
).
112.
T. S.
Tighe
,
J. M.
Worlock
, and
M. L.
Roukes
,
Appl. Phys. Lett.
70
,
2687
(
1997
).
113.
K. C.
Schwab
,
E. A.
Henriksen
,
J. M.
Worlock
, and
M. L.
Roukes
,
Nature (London)
404
,
974
(
2000
).
114.
C. S.
Yung
,
D. R.
Schmidt
, and
A. N.
Cleland
,
Appl. Phys. Lett.
81
,
31
(
2002
).
115.
W.
Fon
 et al,
Phys. Rev. B
66
,
045302
(
2002
).
117.
C.
Lu
,
Applications of Piezoelectric Quartz Crystal Microbalances
(
Elsevier
, London,
1984
).
118.
S. S.
Narine
and
A. J.
Slavin
,
J. Vac. Sci. Technol. A
16
,
1857
(
1998
).
119.
M.
Thompson
and
D. C.
Stone
,
Surface-Launched Acoustic Wave Sensors: Chemical Sensing and Thin-Film Characterization
(
Wiley
, New York,
1997
).
120.
T.
Thundat
,
E. A.
Wachter
,
S. L.
Sharp
, and
R. J.
Warmack
,
Appl. Phys. Lett.
66
,
1695
(
1995
).
121.
B.
Ilic
 et al,
Appl. Phys. Lett.
77
,
450
(
2000
).
122.
Z. J.
Davis
 et al,
J. Vac. Sci. Technol. B
18
,
612
(
2000
).
123.

The SI defines 1Da as 112 the mass of the C12 atom. 1Da=1.66×1027kg

124.
W. K.
Hibert
,
X. L.
Feng
, and
M. L.
Roukes
,
Am. Phys. Soc.
50
,
1132
(
2005
).
125.
E.
de Hoffmann
and
V.
Stroobant
,
Mass Spectrometry Principles and Applications
(
Wiley
, New York,
2002
).
126.
R. P.
Feynman
,
Proceeding of American Physical Society Meeting
,
Pasadena
, CA, December 29,
1959
(originally published in Caltech’s
Engineering and Science magazine
, Feb.
1960
);
reprinted as
R. P.
Feynman
,
J. Microelectromech. Syst.
2
,
1
(
1993
).
You do not currently have access to this content.