Nyligen utvecklade nanomekaniska resonatorer som kan arbeta vid superhöga (d.v.s. tre till 30 GHz) och extremt höga (30 till 300 GHz) frekvensregimer kan vara extremt värdefulla för utvecklingen av mer avancerad halvledarelektronik som bredbandsspektralprocessorer och högupplösta resonanssensorer. Integrerade nanoelektromekaniska givare kan möjliggöra utveckling av mycket små sensorer och ställdon för att underlätta mekanisk interaktion med omvärlden på atomnivå med ultrahög upplösning. Dock, Att realisera integrerad elektromekanisk transduktion på nanoskala har hittills visat sig vara mycket utmanande.

I en nyligen publicerad studie publicerad i Naturelektronik , forskare vid University of Florida kunde tillverka en ultratunn nanoelektromekanisk givare med 10 nm tjock ferroelektrisk hafniumzirkoniumoxid (Hf _0,5 Zr _0,5 O ₂ ) filmer. I teamet ingår två seniora forskare, Roozbeh Tabrizian och Toshikazu Nishida, samt eleverna Mayur Ghatge och Glenn Walters.

"Vår forskning har följt den långvariga strävan i halvledarsensorer och ställdon för verkligt integrerade nanoelektromekaniska givare, "Tabrizian, huvudforskaren i studien, berättade TechXplore. "Nanoelektromekaniska givare underlättar utnyttjandet av högfrekventa och högkvalitativa faktor ( F ) mekanisk resonansdynamik i halvledarnanostrukturer för att realisera monolitiskt integrerade frekvensreferenser och bredbandsspektralprocessorer vid centimeter- och millimetervågsregimer. "

Under det senaste decenniet eller så, forskare började realisera mikroelektromekaniska system (MEMS) för både fysisk avkänning och aktiveringsändamål med hjälp av piezoelektriska omvandlarfilmer. Dessa tunnfilmsgivare har avsevärda integrationsfördelar jämfört med andra elektromekaniska transduktionsscheman såsom optiska och magnetiska lösningar. Till exempel, de möjliggör chip-skala tillgång till mekaniska komponenter, vilket är av avgörande betydelse för många praktiska tillämpningar av MEMS, inklusive generering av frekvensreferens, spektral bearbetning, och högupplöst avkänning.

"Ett stort problem med konventionella transduktorfilmer, dock, är deras grundläggande skalningsbegränsningar, "Tabrizian förklarade." Till exempel, aluminiumnitridfilmer som är utbredda i RF-filter som används i dagens mobiltelefoner kräver en tjocklek i intervallet några 100-tals nanometer för att ge den erforderliga kristallina texturen för effektiv elektromekanisk transduktion. Ytterligare krympning av filmtjockleken minskar drastiskt den elektromekaniska transduktionseffektiviteten och förhindrar givaren från att detektera eller inducera försvinnande små rörelser på nanoskala."

De hafniumzirkoniumoxidbaserade filmerna utvecklade av Tabrizian och hans kollegor har betydande fördelar jämfört med mer traditionella transduktorfilmer. Till exempel, de kan konstrueras, på atomnivå, för att ge effektiv elektromekanisk transduktion vid några nanometers tjocklek.

Denna viktiga egenskap är ett resultat av en unik egenskap hos den atomlagerade hafnia som de använde för att tillverka filmerna, som har metastabila kristallina faser med ferroelektriska egenskaper. När filmen skalas till några nanometer, dessa faser kan stabiliseras med hjälp av atomteknik, som doping och stacking.

"Atomkonstruerade hafnia-baserade filmer har nyligen dykt upp som en ny klass av ferroelektrik med hög potential att realisera ultralåg effekt och extremt miniatyriserade icke-flyktiga minnesenheter, "Sade Tabrizian." I detta arbete, för första gången, vi utnyttjar den elektrostriktiva effekten som observeras i supertunn ferroelektrisk hafniumzirkoniumoxid (Hf _0,5 Zr _0,5 O ₂ ) för att realisera högfrekventa och hög Q nanomekaniska resonatorer. "

I deras studie, forskarna integrerade sina ultratunna nanoelektromekaniska givare i kisel- och aluminiumnitridmembran, uppnå resonatorer med frekvenser mellan 340 kHz och 13 GHz och en rekordhög frekvens-Q-produkt på 3,97×10 ¹² .

"Vår demonstration placerar den atomärt konstruerade hafnia-baserade givaren som världens tunnaste för att möjliggöra integrerade nano-mekaniska resonatorer, ", sa Tabrizian. "Resonatorerna vi utvecklade belyser genomförbarheten av extrem skalning av integrerade nano-mekaniska resonatorer till mm-vågsregimen."

Den ultratunna integrerade nanoelektromekaniska givaren tillverkad av Tabrizian och hans kollegor öppnar nya spännande möjligheter för utveckling av nya enheter för precisionsavkänning, referensgenerering, spektroskopi, och trådlös kommunikation. Specifika applikationer som kan dra nytta av mm-vågsintegrerade nano-mekaniska resonatorer inkluderar ultrabredbandsfilter i chipskala för framväxande trådlös teknik (dvs. 5G och längre), chip-skala givare för rumstemperatur kvantsensorer, och chipskala extremt högfrekventa källor för spektroskopi.

"Vi undersöker nu frekvensskalningsgränserna för de hafnia-baserade nanomekaniska resonatorerna och utvecklingen av atomtekniska tekniker för att överträffa sådana gränser, ", sa Tabrizian. "Vi är särskilt intresserade av att förstå de elektriska och mekaniska energiförlustmekanismerna och den olinjära spridningsdynamiken i hafnia-filmer vid mm-vågsfrekvenser."

© 2019 Science X Network