En ultratynd nanoelektromekanisk transducer lavet af hafniumzirkoniumoxid

Nyligt udviklede nanomekaniske resonatorer, der kan fungere ved superhøj (dvs. tre til 30 GHz) og ekstremt høje (30 til 300 GHz) frekvensregimer kan være ekstremt værdifulde for udviklingen af ​​mere avanceret halvlederelektronik såsom bredbåndsspektrale processorer og højopløsningsresonanssensorer. Integrerede nanoelektromekaniske transducere kunne muliggøre udvikling af meget små sensorer og aktuatorer for at lette mekanisk interaktion med omverdenen på atomniveau med ultrahøj opløsning. Imidlertid, realisering af integreret elektromekanisk transduktion på nanoskala har hidtil vist sig at være meget udfordrende.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Naturelektronik , forskere ved University of Florida var i stand til at fremstille en ultratynd nanoelektromekanisk transducer ved hjælp af 10 nm tyk ferroelektrisk hafniumzirkoniumoxid (Hf _0,5 Zr _0,5 O ₂ ) film. Teamet omfatter to seniorforskere, Roozbeh Tabrizian og Toshikazu Nishida, samt eleverne Mayur Ghatge og Glenn Walters.

"Vores forskning har fulgt den mangeårige søgen i halvledsensorer og aktuatorsamfund efter virkelig integrerede nanoelektromekaniske transducere, "Tabrizian, den ledende forsker i undersøgelsen, fortalte TechXplore. "Nanoelektromekaniske transducere letter udnyttelse af højfrekvente og højkvalitetsfaktorer ( Q ) mekanisk resonansdynamik i halvleder-nanostrukturer til at realisere monolitisk integrerede frekvensreferencer og bredbåndsspektrale processorer ved centimeter- og millimeterbølger. "

I løbet af det seneste årti eller deromkring, forskere begyndte at realisere mikroelektromekaniske systemer (MEMS) til både fysisk sansning og aktiveringsformål ved hjælp af piezoelektriske transducerfilm. Disse tyndfilmstransducere har betydelige integrationsfordele sammenlignet med andre elektromekaniske transduktionsskemaer, såsom optiske og magnetiske løsninger. For eksempel, de muliggør chip-skala adgang til mekaniske komponenter, som er af vital betydning for mange praktiske anvendelser af MEMS, herunder generering af frekvensreferencer, spektral behandling, og sensor i høj opløsning.

"Et væsentligt problem med konventionelle transducerfilm, imidlertid, er deres grundlæggende skaleringsbegrænsninger, "Tabrizian forklaret." F.eks. aluminiumnitridfilm, der er udbredt i RF -filtre, der bruges i nutidens mobiltelefoner, kræver en tykkelse i intervallet på få 100'er nanometer for at give den nødvendige krystallinske tekstur til effektiv elektromekanisk transduktion. Yderligere krympning af filmtykkelsen reducerer drastisk den elektromekaniske transduktionseffektivitet og forhindrer transduceren i at detektere eller induktion af forsvindende små bevægelser på nanoskala."

De hafnium-zirkoniumoxidbaserede film udviklet af Tabrizian og hans kolleger har betydelige fordele i forhold til mere traditionelle transducerfilm. For eksempel, de kan konstrueres, på atomniveau, at give effektiv elektromekanisk transduktion ved få nanometers tykkelse.

Denne vigtige egenskab er et resultat af en unik egenskab ved den atomare lag hafnia, som de brugte til at fremstille filmene, som besidder metastabile krystallinske faser med ferroelektriske egenskaber. Når filmen skaleres til et par nanometer, disse faser kan stabiliseres ved hjælp af atomar engineering teknikker, såsom doping og stabling.

"Atomisk konstruerede hafnibaserede film er for nylig opstået som en ny klasse af ferroelektriske medier med et stort potentiale for at realisere ultra-low-power og ekstremt miniaturiserede ikke-flygtige hukommelsesenheder, " sagde Tabrician. "I dette værk, for første gang, vi udnytter den elektrostriktive effekt observeret i supertynde ferroelektriske hafniumzirkoniumoxid (Hf _0,5 Zr _0,5 O ₂ ) for at realisere højfrekvente og høje Q nano-mekaniske resonatorer."

I deres undersøgelse, forskerne integrerede deres ultratynde nanoelektromekaniske transducere i silicium- og aluminiumnitridmembraner, opnåelse af resonatorer med frekvenser mellem 340 kHz og 13 GHz og et rekordhøjt frekvens-Q-produkt på 3,97 × 10 ¹² .

"Vores demonstration placerer den atomfremstillede hafnia-baserede transducer som verdens tyndeste for at muliggøre integrerede nanomekaniske resonatorer, "Tabrizian sagde." De resonatorer, vi udviklede, fremhæver muligheden for ekstrem skalering af integrerede nanomekaniske resonatorer til mm-bølge-regime. "

Den ultratynde integrerede nanoelektromekaniske transducer fremstillet af Tabrizian og hans kolleger åbner nye spændende muligheder for udvikling af nye enheder til præcisionsføling, reference generation, spektroskopi, og trådløs kommunikation. Specifikke applikationer, der kan drage fordel af mm-bølge integrerede nanomekaniske resonatorer, inkluderer ultra-bredbånds chip-skala filtre til nye trådløse teknologier (dvs. 5G og derover), chip-skala transducere til rumtemperatur kvantesensorer, og ekstremt højfrekvente kilder til chipskala til spektroskopi.

"Vi undersøger nu frekvensskaleringsgrænserne for de hafnibaserede nanomekaniske resonatorer og udvikling af atomtekniske teknikker til at overgå sådanne grænser, Tabrizian sagde. "Vi er specifikt interesserede i at forstå de elektriske og mekaniske energispredningsmekanismer og ikke-lineær spredningsdynamik i hafnia-film ved mm-bølgefrekvenser."

© 2019 Science X Network