Nieuw ontwikkelde atomaire engineeringtechnieken hebben opwindende mogelijkheden geopend voor het mogelijk maken van ferro-elektrisch gedrag in diëlektrica met een hoge k-waarde, materialen die een hoge diëlektrische constante (dat wil zeggen kappa of k) hebben in vergelijking met silicium. Dit zou op zijn beurt de ontwikkeling van meer geavanceerde CMOS-gebaseerde technologie met een breder scala aan functies of eigenschappen kunnen stimuleren.

Onderzoekers van de Universiteit van Florida hebben onlangs het potentieel onderzocht van atomair vervaardigde materialen op basis van hafnia en zirkonia voor het creëren van verschillende componenten voor elektronische systemen. In een recente Nature Electronics Op papier introduceerden ze nieuwe breedspectrum nano-elektromechanische resonatoren, elektronische componenten die een resonantiefrequentie kunnen genereren, gebaseerd op hafnia-zirkoniumoxide-aluminiumoxide superroosters.

"Mijn onderzoeksgroep is de pionier geweest in het onderzoeken van atomair geconstrueerd ferro-elektrisch hafnia-zirkoniumoxide als een geïntegreerde transducer op nanoschaal voor nieuwe CMOS-gebaseerde nano-elektromechanische systemen (CMOS-NEMS) paradigma's, met een transformerende impact op het genereren van klokken, fysieke detectie, spectrale verwerking en computergebruik. aanvragen," vertelde Roozbeh Tabrizian, de hoofdonderzoeker die het onderzoek leidde, aan Phys.org. "Voor al deze toepassingen wordt de effectiviteit van de NEMS-werking hoofdzakelijk bepaald door de efficiëntie van de piëzo-elektrische koppeling in hafnia-zirkoniumoxidefilm."

Hafnia-zirkoniumoxidefilms hebben een complexe polykristallijne structuur die bestaat uit domeinen met verschillende polaire en niet-polaire morfologieën, die elk bijdragen aan elektromechanische koppeling, afhankelijk van elektrische en mechanische randvoorwaarden. Vanwege deze ingewikkelde structuur blijven de fundamentele fysieke processen die ten grondslag liggen aan de piëzo-elektriciteit in deze materialen nog steeds slecht begrepen, wat het verbeteren van deze eigenschap uitdagend maakt.

"Wanneer we ons specifiek richten op het gebruik van hafnia-zirkoniumoxidefilms om ultra- en superhoge frequentieresonatoren te creëren, is de piëzo-elektrische koppeling van de film bij zulke hoge frequenties een belangrijke maatstaf die de prestaties bepaalt en hun toepasbaarheid identificeert voor het maken van klokken en filters," zei Tabrizian. "Om deze vragen te beantwoorden, hebben we besloten experimenten te ontwikkelen om de evolutie van piëzo-elektrische koppeling in hafnia-zirkoniumoxide tijdens elektrische polling te ontsluiten."

Als onderdeel van hun recente werk probeerden Tabrizian en zijn collega's materiaaltechnische benaderingen te gebruiken om de piëzo-elektrische koppeling (dat wil zeggen een effect dat een interactie tussen mechanische en elektrische fysica met zich meebrengt) in superroosters van hafnia-zirkoniumoxide-aluminiumoxide te verbeteren. Ten slotte gebruikten ze het materiaal dat ze hadden ontwikkeld om nano-elektromechanische resonatoren te maken die in verschillende op CMOS gebaseerde elektronische apparaten konden worden geïntegreerd.

"Onze hafnia-zirkoniumoxide-aluminiumoxide nano-elektromechanische resonatoren hebben drie unieke kenmerken", zei Tabrizian. "De eerste is hun inherente CMOS-compatibiliteit en de beschikbaarheid van samenstellende materialen aan de voorkant van het CMOS-proces benadrukt een transformerend potentieel voor monolithische integratie ervan met solid-state circuits. Dit maakt het creëren van klokken, filters, sensoren en mechanische computers mogelijk. die ordes van grootte hoger zijn qua prestaties en energie-efficiëntie en lager qua omvang en kosten."

Een tweede voordeel van de resonatoren van Tabrizian en zijn collega's is dat ze gemakkelijk kunnen worden geschaald naar super- en extreem hoge frequenties, omdat de hafnia-zirkoniumfilms waarop ze zijn gebaseerd aanzienlijk kunnen worden gekrompen. Opvallend is dat de door de onderzoekers ontworpen films, toen ze werden verkleind tot enkele nanometers, hun grote piëzo-elektrische koppeling behielden.

Als gevolg hiervan zouden deze films kunnen worden gebruikt om veel verschillende CMOS-geïntegreerde apparaten te creëren, waaronder resonatoren, klokken en filters die werken op tientallen gigahertz. Deze hoogfrequente CMOS-geïntegreerde systemen zullen van cruciaal belang zijn voor de ontwikkeling van draadloze communicatietechnologieën van de volgende generatie.

"Ten derde en laatste, profiterend van ferro-elektrisch gedrag, kan de piëzo-elektrische koppeling in hafnia-zirkoniumoxide worden in- en uitgeschakeld door tijdelijke toepassing van een gelijkspanning, " legde Tabrizian uit. “Dit maakt de creatie mogelijk van frequentiecontroleapparaten die intrinsiek schakelbaar zijn, wat de noodzaak van externe schakelaars en hun stroomverbruik, verlies en footprint-overhead overbodig maakt. Dit is van cruciaal belang bij het richten op uitbreiding van het systeem naar multi-frequentie multi-band werking waarvoor flexibele configuratie binnen een reeks resonatoren met verschillende frequenties."

Het recente werk van dit team van onderzoekers vergroot het huidige begrip van hoe piëzo-elektrische koppeling evolueert in hafnia-zirkoniumoxide-transducers, waarbij wordt overgeschakeld van het niet-lineaire kwadratische regime in as-deposited films naar het lineaire regime dat nodig is om frequentiecontrolesystemen te creëren. Deze omschakeling vindt spontaan plaats wanneer de gemanipuleerde hafnia-zirkoniumoxide-films worden blootgesteld aan voldoende elektrische veldcycli.

"Onze studie benadrukt ook het potentieel van het gebruik van dunne aluminiumoxide-tussenlagen binnen de hafnia-zirkoniumoxide-transducer (dat wil zeggen, het creëren van het hafnia-zirkoniumoxide-aluminiumoxide-superrooster) om de piëzo-elektrische koppeling van de transducer te verbeteren, en deze koppeling in stand te houden, zelfs zodra de films van het substraat zijn losgelaten. vormen zwevende membranen,” zei Tabrizian. "Met deze kennis werpen we licht op de productieaanpak voor het creëren van hoogwaardige hafnia-zirkoniumoxide-aluminiumoxide-resonatoren die werken met een hoge kwaliteitsfactor en koppeling in ultra- en superhoge frequenties."

Tot nu toe hebben Tabrizian en zijn collega's hun films met succes gebruikt om krachtige resonatoren te ontwikkelen met een dekking van frequenties tussen 0,2 en 20 GHz. In hun volgende studies zijn ze echter van plan het potentieel van de films te onderzoeken om andere elektronische componenten te creëren, terwijl ze ook de resonatoren die ze hebben gemaakt in verschillende microsystemen integreren en testen.

"Een belangrijke richting voor ons toekomstig onderzoek zal de integratie zijn van de ontwikkelde hafnia-zirkoniumoxide-aluminiumoxide nano-elektromechanische resonatoren op CMOS-chips om de eerste superhoogfrequente monolithische CMOS-NEMS-oscillator te creëren," voegde Tabrizian eraan toe. "Daarnaast zullen we ons richten op de verkenning van methoden voor de temperatuurstabilisatie van hafnia-zirkoniumoxide-aluminiumoxide-resonatoren door middel van materiaaltechniek. Dit is essentieel voor de realisatie van stabiele oscillatoren voor toepassingen voor het genereren van klok- en frequentiereferentie."

Meer informatie: Troy Tharpe et al, Nano-elektromechanische resonatoren voor gigahertz-frequentieregeling op basis van hafnia-zirkoniumoxide-aluminiumoxide superroosters, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-00999-9

Mayur Ghatge et al, Een ultradunne geïntegreerde nano-elektromechanische transducer op basis van hafniumzirkoniumoxide, Nature Electronics (2019). DOI:10.1038/s41928-019-0305-3

Journaalinformatie: Natuurelektronica

© 2023 Science X Netwerk