Recent ontwikkelde nanomechanische resonatoren die op superhoge (d.w.z. drie tot 30 GHz) en extreem hoge (30 tot 300 GHz) frequentieregimes kunnen zeer waardevol zijn voor de ontwikkeling van meer geavanceerde halfgeleiderelektronica zoals breedbandspectrale processors en resonantiesensoren met hoge resolutie. Geïntegreerde nano-elektromechanische transducers zouden de ontwikkeling van zeer kleine sensoren en actuatoren mogelijk maken om mechanische interactie met de buitenwereld op atomair niveau met ultrahoge resolutie te vergemakkelijken. Echter, het realiseren van geïntegreerde elektromechanische transductie op nanoschaal is tot nu toe zeer uitdagend gebleken.

In een recente studie gepubliceerd in Natuur Elektronica , onderzoekers van de Universiteit van Florida waren in staat om een ​​ultradunne nano-elektromechanische transducer te fabriceren met behulp van 10 nm dik ferro-elektrisch hafniumzirkoniumoxide (Hf _0,5 Zr _0,5 O ₂ ) films. Het team bestaat uit twee senior onderzoekers, Roozbeh Tabrizian en Toshikazu Nishida, evenals studenten Mayur Ghatge en Glenn Walters.

"Ons onderzoek volgt de al lang bestaande zoektocht in gemeenschappen van halfgeleidersensoren en -actuatoren naar echt geïntegreerde nano-elektromechanische transducers, "Tabriziaan, de hoofdonderzoeker van het onderzoek, vertelde TechXplore. "Nano-elektromechanische transducers vergemakkelijken het gebruik van hoogfrequente en hoogwaardige factor ( Q ) mechanische resonantiedynamica in halfgeleider nanostructuren om monolithisch geïntegreerde frequentiereferenties en breedband spectrale processors te realiseren bij centimeter- en millimetergolfregimes."

In de afgelopen tien jaar of zo, onderzoekers begonnen micro-elektromechanische systemen (MEMS) te realiseren voor zowel fysieke detectie- als actuatiedoeleinden met behulp van piëzo-elektrische transducerfilms. Deze dunnefilmtransducers hebben aanzienlijke integratievoordelen in vergelijking met andere elektromechanische transductieschema's zoals optische en magnetische oplossingen. Bijvoorbeeld, ze maken toegang op chipschaal mogelijk tot mechanische componenten, wat van vitaal belang is voor veel praktische toepassingen van MEMS, inclusief het genereren van frequentiereferenties, spectrale verwerking, en detectie met hoge resolutie.

"Een substantieel probleem met conventionele transducerfilms, echter, zijn hun fundamentele schaalbeperkingen, ' legde Tabrizian uit. 'Bijvoorbeeld, aluminiumnitridefilms die wijdverbreid zijn in RF-filters die in de huidige mobiele telefoons worden gebruikt, vereisen een dikte in het bereik van enkele honderden nanometers om de vereiste kristallijne textuur te verkrijgen voor efficiënte elektromechanische transductie. Verdere krimp van de filmdikte vermindert de elektromechanische transductie-efficiëntie drastisch en voorkomt dat de transducer op nanoschaal verdwijnende kleine bewegingen detecteert of induceert."

De op hafniumzirkoniumoxide gebaseerde films die zijn ontwikkeld door Tabrizian en zijn collega's hebben aanzienlijke voordelen ten opzichte van meer traditionele transducerfilms. Bijvoorbeeld, ze kunnen worden ontworpen, op atomair niveau, om efficiënte elektromechanische transductie te leveren bij een dikte van enkele nanometers.

Dit belangrijke kenmerk is het resultaat van een uniek kenmerk van de atomair gelaagde hafnia die ze gebruikten om de films te fabriceren, die metastabiele kristallijne fasen met ferro-elektrische eigenschappen bezitten. Wanneer de film wordt geschaald tot enkele nanometers, deze fasen kunnen worden gestabiliseerd met behulp van atomaire engineeringtechnieken, zoals doping en stapelen.

"Atomair geconstrueerde op hafnia gebaseerde films zijn onlangs naar voren gekomen als een nieuwe klasse van ferro-elektriciteit met een hoog potentieel om ultra-laag vermogen en extreem geminiaturiseerde niet-vluchtige geheugeneenheden te realiseren, " zei Tabrizian. "In dit werk, Voor de eerste keer, we maken gebruik van het elektrostrictieve effect dat wordt waargenomen in superdun ferro-elektrisch hafniumzirkoniumoxide (Hf _0,5 Zr _0,5 O ₂ ) om nanomechanische resonatoren met hoge frequentie en hoge Q te realiseren."

In hun studie hebben de onderzoekers integreerden hun ultradunne nano-elektromechanische transducers in silicium- en aluminiumnitridemembranen, het bereiken van resonatoren met frequenties tussen 340 kHz en 13 GHz en een record-hoge frequentie-Q-product van 3,97×10 ¹² .

"Onze demonstratie plaatst de atomair geconstrueerde op hafnia gebaseerde transducer als 's werelds dunste om geïntegreerde nanomechanische resonatoren mogelijk te maken, " zei Tabrizian. "De resonatoren die we hebben ontwikkeld, benadrukken de haalbaarheid van extreme schaling van geïntegreerde nanomechanische resonatoren naar mm-golfregime."

De ultradunne geïntegreerde nano-elektromechanische transducer vervaardigd door Tabrizian en zijn collega's opent nieuwe opwindende mogelijkheden voor de ontwikkeling van nieuwe apparaten voor precisiedetectie, referentie generatie, spectroscopie, en draadloze communicatie. Specifieke toepassingen die kunnen profiteren van mm-golf geïntegreerde nanomechanische resonatoren zijn onder meer ultrabreedbandfilters op chipschaal voor opkomende draadloze technologieën (d.w.z. 5G en verder), chipschaaltransducers voor kwantumsensoren bij kamertemperatuur, en extreem hoogfrequente bronnen op chipschaal voor spectroscopie.

"We onderzoeken nu de frequentieschaallimieten van de op hafnia gebaseerde nanomechanische resonatoren en de ontwikkeling van atomaire engineeringtechnieken om dergelijke limieten te overtreffen, " zei Tabrizian. "We zijn specifiek geïnteresseerd in het begrijpen van de elektrische en mechanische energiedissipatiemechanismen en niet-lineaire verstrooiingsdynamiek in hafnia-films bij mm-golffrequenties."

© 2019 Wetenschap X Netwerk