Наноэлектромеханические резонаторы на основе гафния

Aug 18, 2023

2 августа 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Ингрид Фаделли, Phys.org

Недавно разработанные методы атомной инженерии открыли захватывающие возможности для обеспечения сегнетоэлектрического поведения в диэлектриках с высоким k - материалах, которые имеют высокую диэлектрическую проницаемость (т.е. каппа или k) по сравнению с кремнием. Это, в свою очередь, может способствовать разработке более совершенной технологии на основе КМОП с более широким набором функций и свойств.

Исследователи из Университета Флориды недавно изучали потенциал атомно-сконструированных материалов на основе гафния и циркония для создания различных компонентов для электронных систем. В недавней статье Nature Electronics они представили новые наноэлектромеханические резонаторы широкого спектра, электронные компоненты, которые могут генерировать резонансную частоту, на основе сверхрешеток гафния-циркония-оксида алюминия.

«Моя исследовательская группа была пионером в изучении сегнетоэлектрических гафния-циркония, созданных с помощью атомной инженерии, в качестве наноразмерного интегрированного преобразователя для новых парадигм наноэлектромеханических систем на основе КМОП (CMOS-NEMS), с преобразующим воздействием на генерацию часов, физическое зондирование, спектральную обработку и вычисления. приложений», — рассказал Phys.org Рузбе Табризян, главный исследователь, возглавлявший исследование. «Для всех этих применений эффективность работы НЭМС по существу определяется эффективностью пьезоэлектрической связи в пленке гафния-циркония».

Пленки гафния-диоксида циркония имеют сложную поликристаллическую структуру, состоящую из доменов с различной полярной и неполярной морфологией, каждый из которых вносит свой вклад в электромеханическое взаимодействие в зависимости от электрических и механических граничных условий. Из-за такой сложной структуры фундаментальные физические процессы, лежащие в основе пьезоэлектричества в этих материалах, остаются плохо изученными, что затрудняет улучшение этого свойства.

«Если конкретно ставить задачу использования пленок гафния-циркония для создания ультра- и сверхвысокочастотных резонаторов, то пьезоэлектрическая связь пленок на таких высоких частотах является ключевым показателем, определяющим характеристики и определяющим их применимость для создания часов и фильтры», — сказал Табризиан. «Чтобы ответить на эти вопросы, мы решили провести эксперименты, чтобы раскрыть эволюцию пьезоэлектрической связи в гафнии и цирконии во время электрического опроса».

В рамках своей недавней работы Табризиан и его коллеги попытались использовать подходы материаловедения для усиления пьезоэлектрической связи (т.е. эффекта, который влечет за собой взаимодействие между механической и электрической физикой) в сверхрешетках гафния-циркония-оксида алюминия. Наконец, они использовали разработанный ими материал для создания наноэлектромеханических резонаторов, которые можно было интегрировать в различные электронные устройства на основе КМОП.

«Наши наноэлектромеханические резонаторы из гафния, циркония и алюминия обладают тремя уникальными особенностями», — сказал Табризиан. «Во-первых, это присущая им совместимость с КМОП, а доступность составляющих материалов на входе процесса КМОП подчеркивает преобразующий потенциал для их монолитной интеграции с твердотельными схемами. Это позволяет создавать часы, фильтры, датчики и механические компьютеры. которые на несколько порядков выше по производительности и энергоэффективности и ниже по размеру и стоимости».

Вторым преимуществом резонаторов, созданных Табризианом и его коллегами, является то, что их можно легко масштабировать до сверхвысоких и сверхвысоких частот, поскольку пленки гафния-циркония, на которых они основаны, могут быть значительно сжаты. Примечательно, что при уменьшении размера до нескольких нанометров пленки, созданные исследователями, сохранили свою большую пьезоэлектрическую связь.