Nyutvecklade atomtekniker har öppnat spännande möjligheter för att möjliggöra ferroelektriskt beteende i högk-dielektriska material, material som har en hög dielektricitetskonstant (dvs kappa eller k) jämfört med kisel. Detta skulle i sin tur kunna bidra till utvecklingen av mer avancerad CMOS-baserad teknologi med ett bredare utbud av funktioner eller egenskaper.
Forskare vid University of Florida har nyligen undersökt potentialen hos atomärt framställda hafnia- och zirkoniumoxidbaserade material för att skapa olika komponenter för elektroniska system. I en nyligen publicerad Nature Electronics papper, introducerade de nya brett spektrum nanoelektromekaniska resonatorer, elektroniska komponenter som kan generera en resonansfrekvens, baserade på hafnia–zirkoniumoxid–aluminiumoxid supergitter.
"Min forskargrupp har varit pionjären i att utforska atomärt konstruerad ferroelektrisk hafnia-zirconia som en integrerad givare i nanoskala för nya CMOS-baserade nanoelektromekaniska system (CMOS-NEMS) paradigm, med transformerande inverkan i klockgenerering, fysisk avkänning, spektral bearbetning och beräkning ansökningar, säger Roozbeh Tabrician, huvudutredaren som ledde studien, till Phys.org. "För alla dessa applikationer bestäms effektiviteten av NEMS-drift huvudsakligen av effektiviteten hos piezoelektrisk koppling i hafnia-zirkoniumoxidfilm."
Hafnia-zirkoniumoxidfilmer har en komplex polykristallin struktur som består av domäner med olika polära och opolära morfologier, som var och en bidrar till elektromekanisk koppling beroende på elektriska och mekaniska gränsförhållanden. På grund av denna komplicerade struktur är de grundläggande fysiska processerna som ligger till grund för piezoelektricitet i dessa material fortfarande dåligt förstådda, vilket gör det svårt att förbättra denna egenskap.
"När man specifikt riktar in sig på användningen av hafnia-zirkoniumoxidfilmer för att skapa ultra- och superhögfrekventa resonatorer, är den piezoelektriska kopplingen av filmen vid så höga frekvenser ett nyckelmått som ställer in prestandan och identifierar deras tillämpbarhet för att skapa klockor och filter," sa Tabrician. "För att svara på dessa frågor bestämde vi oss för att utveckla experiment för att låsa upp utvecklingen av piezoelektrisk koppling i hafnia–zirconia under elektrisk polling."
Som en del av deras senaste arbete försökte Tabrizian och hans kollegor använda materialtekniska tillvägagångssätt för att förbättra piezoelektrisk koppling (dvs en effekt som innebär en interaktion mellan mekanisk och elektrisk fysik) i supergitter hafnia-zirconia-aluminiumoxid. Slutligen använde de materialet de konstruerade för att skapa nanoelektromekaniska resonatorer som kunde integreras i olika CMOS-baserade elektroniska enheter.
"Våra hafnia-zirconia-aluminiumoxid nanoelektromekaniska resonatorer har tre unika egenskaper," sa Tabrizian. "Den första är deras inneboende CMOS-kompatibilitet och tillgängligheten av ingående material i front-end av CMOS-processen belyser en transformerande potential för monolitisk integration av dem med solid-state-kretsar. Detta möjliggör skapandet av klockor, filter, sensorer och mekaniska datorer som har en storleksordning högre i prestanda och effekteffektivitet och lägre i storlek och kostnad."
En andra fördel med resonatorerna skapade av Tabrizian och hans kollegor är att de enkelt kan skalas till super- och extremt höga frekvenser, eftersom hafnia-zirconia-filmerna de är baserade på kan krympas avsevärt. Noterbart, när de skalade ner till några nanometer, behöll filmerna som konstruerats av forskarna sin stora piezoelektriska koppling.
Som ett resultat kan dessa filmer användas för att skapa många olika CMOS-integrerade enheter, inklusive resonatorer, klockor och filter som arbetar på tiotals gigahertz. Dessa högfrekventa CMOS-integrerade system kommer att vara avgörande för att utveckla nästa generations trådlösa kommunikationstekniker.
"Tredje och sista, med fördel av ferroelektriskt beteende, kan den piezoelektriska kopplingen i hafnia-zirconia slås på och av genom tillfällig applicering av en DC-spänning," förklarade Tabrizian. "Detta möjliggör skapandet av frekvensstyrningsenheter som är inbyggt omkopplingsbara, vilket undanröjer behovet av externa switchar och deras strömförbrukning, förluster och överkostnader. Detta är avgörande när man riktar in sig på utvidgning av systemet till flerfrekvensdrift med flera band som kräver smidig konfiguration inom en rad resonatorer med olika frekvenser."
Det senaste arbetet av detta team av forskare förbättrar den nuvarande förståelsen av hur piezoelektrisk koppling utvecklas i hafnia-zirconia-omvandlare, och byter från den icke-linjära kvadratiska regimen i filmer som deponeras till den linjära regimen som krävs för att skapa frekvenskontrollsystem. Denna omkoppling sker spontant när de konstruerade hafnia-zirkoniumoxidfilmerna utsätts för tillräcklig elektrisk fältcykling.
"Vår studie belyser också potentialen med att använda tunna aluminiumoxidmellanskikt inom hafnia-zirkoniumoxid-omvandlare (dvs att skapa supergitteret hafnia-zirkoniumoxid-aluminiumoxid) för att förbättra piezoelektrisk koppling av givaren och upprätthålla denna koppling även när filmerna släpps från substratet till bildar svävande membran," sa Tabrician. "Med denna kunskap belyser vi tillverkningsmetoden för att skapa högpresterande hafnia–zirkoniumoxid–aluminiumoxidresonatorer som arbetar med hög kvalitetsfaktor och koppling i ultra- och superhöga frekvenser."
Hittills har Tabrizian och hans kollegor framgångsrikt använt sina filmer för att utveckla högpresterande resonatorer med en täckning som spänner mellan 0,2–20 GHz-frekvenser. I sina nästa studier planerar de dock att utforska filmernas potential att skapa andra elektroniska komponenter, samtidigt som de integrerar och testar resonatorerna de skapat i olika mikrosystem.
"En nyckelriktning för vår framtida forskning kommer att vara integrationen av de utvecklade nanoelektromekaniska resonatorerna hafnia–zirconia–aluminiumoxid på CMOS-chips för att skapa den första superhögfrekventa monolitiska CMOS-NEMS-oscillatorn," tillade Tabrizian. "Dessutom kommer vi att inrikta oss på utforskning av metoder för temperaturstabilisering av hafnia–zirkoniumoxid–aluminiumoxidresonatorer genom materialteknik. Detta är väsentligt för realisering av stabila oscillatorer för applikationer för klock- och frekvensreferensgenerering."
Mer information: Troy Tharpe et al, nanoelektromekaniska resonatorer för gigahertz frekvenskontroll baserade på hafnia–zirconia–aluminiumoxid supergitter, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-00999-9
Mayur Ghatge et al, En ultratunn integrerad nanoelektromekanisk givare baserad på hafniumzirkoniumoxid, Nature Electronics (2019). DOI:10.1038/s41928-019-0305-3
Journalinformation: Naturelektronik
© 2023 Science X Network
