Uma imagem de microscópio eletrônico de varredura de um ressonador nanoeletromecânico integrado com transdutor Hf0.5Zr0.5O2 de 10 nm. Crédito:Ghatge et al.
Ressonadores nanomecânicos recentemente desenvolvidos que podem operar em altíssima (ou seja, regimes de frequência de três a 30 GHz) e extremamente altos (30 a 300 GHz) podem ser extremamente valiosos para o desenvolvimento de componentes eletrônicos de semicondutores mais avançados, como processadores espectrais de banda larga e sensores ressonantes de alta resolução. Transdutores nanoeletromecânicos integrados podem permitir o desenvolvimento de sensores e atuadores muito pequenos para facilitar a interação mecânica com o mundo externo em nível atômico com resolução ultra-alta. Contudo, realizar a transdução eletromecânica integrada em nanoescala tem se mostrado muito desafiador.
Em um estudo recente publicado em Nature Electronics , pesquisadores da Universidade da Flórida foram capazes de fabricar um transdutor nanoeletromecânico ultrafino usando óxido de zircônio háfnio ferroelétrico de 10 nm de espessura (Hf 0,5 Zr 0,5 O 2 ) filmes. A equipe inclui dois pesquisadores seniores, Roozbeh Tabrizian e Toshikazu Nishida, bem como os alunos Mayur Ghatge e Glenn Walters.
"Nossa pesquisa tem seguido a busca de longa data nas comunidades de sensores e atuadores de semicondutores por transdutores nanoeletromecânicos verdadeiramente integrados, "Tabrizian, o pesquisador principal do estudo, disse TechXplore. "Transdutores nanoeletromecânicos facilitam o aproveitamento de fator de alta frequência e alta qualidade ( Q ) dinâmica de ressonância mecânica em nanoestruturas de semicondutores para realizar referências de frequência monoliticamente integradas e processadores espectrais de banda larga em regimes de ondas centimétricas e milimétricas. "
Ao longo da última década ou assim, pesquisadores começaram a realizar sistemas microeletromecânicos (MEMS) para fins de detecção física e de atuação usando filmes transdutores piezoelétricos. Esses transdutores de filme fino têm méritos de integração consideráveis em comparação com outros esquemas de transdução eletromecânica, como soluções ópticas e magnéticas. Por exemplo, eles permitem acesso em escala de chip a componentes mecânicos, que é de vital importância para muitas aplicações práticas de MEMS, incluindo geração de referência de frequência, processamento espectral, e detecção de alta resolução.
"Um problema substancial com filmes transdutores convencionais, Contudo, são suas limitações de escala fundamentais, "Tabrizian explicou." Por exemplo, os filmes de nitreto de alumínio que são amplamente utilizados em filtros de RF usados nos telefones celulares de hoje requerem uma espessura na faixa de alguns 100s de nanômetros para produzir a textura cristalina necessária para uma transdução eletromecânica eficiente. O encolhimento adicional da espessura do filme reduz drasticamente a eficiência da transdução eletromecânica e evita que o transdutor detecte ou induza movimentos cada vez menores em nanoescala. "
Os filmes à base de óxido de háfnio e zircônio desenvolvidos por Tabrizian e seus colegas têm vantagens significativas sobre os filmes transdutores mais tradicionais. Por exemplo, eles podem ser projetados, em um nível atômico, para produzir transdução eletromecânica eficiente em alguns nanômetros de espessura.
Imagem do microscópio eletrônico de transmissão da seção transversal do ressonador, destacando o filme ferroelétrico Hf0.5Zr0.5O2 de 10 nm de espessura imprensado entre eletrodos de nitreto de titânio (TiN) de 10 nm de espessura. Crédito:Ghatge et al.
Esta característica importante é o resultado de uma característica única da hafnia de camadas atômicas que eles usaram para fabricar os filmes, que possuem fases cristalinas metaestáveis com propriedades ferroelétricas. Quando o filme é dimensionado para alguns nanômetros, essas fases podem ser estabilizadas usando técnicas de engenharia atômica, como dopagem e empilhamento.
"Filmes baseados em hafnia projetados atomicamente surgiram recentemente como uma nova classe de ferroelétricos com alto potencial para realizar unidades de memória não volátil de ultra baixa potência e extremamente miniaturizadas, "Tabrizian disse." Neste trabalho, pela primeira vez, estamos explorando o efeito eletrostritivo observado no óxido de zircônio háfnio ferroelétrico superfino (Hf 0,5 Zr 0,5 O 2 ) para realizar ressonadores nano-mecânicos de alta frequência e Q alto. "
Em seu estudo, os pesquisadores integraram seus transdutores nanoeletromecânicos ultrafinos em membranas de nitreto de alumínio e silício, alcançar ressonadores com frequências variando entre 340 kHz e 13 GHz e um produto Q de alta frequência recorde de 3,97 × 10 12 .
"Nossa demonstração coloca o transdutor baseado em hafnia atomicamente projetado como o mais fino do mundo para permitir ressonadores nano-mecânicos integrados, "Tabrizian disse." Os ressonadores que desenvolvemos destacam a viabilidade de escalonamento extremo de ressonadores nano-mecânicos integrados ao regime de ondas mm. "
O transdutor nanoeletromecânico integrado ultrafino fabricado por Tabrizian e seus colegas abre novas possibilidades interessantes para o desenvolvimento de novos dispositivos para detecção de precisão, geração de referência, espectroscopia, e comunicação sem fio. Aplicações específicas que poderiam se beneficiar de ressonadores nano-mecânicos integrados de onda mm incluem filtros em escala de chip de banda ultralarga para tecnologias sem fio emergentes (ou seja, 5G e além), transdutores em escala de chip para sensores quânticos de temperatura ambiente, e fontes de frequência extremamente alta em escala de chip para espectroscopia.
"Agora estamos explorando os limites de escala de frequência dos ressonadores nanomecânicos baseados em hafnia e o desenvolvimento de técnicas de engenharia atômica para superar esses limites, "Tabrizian disse." Estamos especificamente interessados em compreender os mecanismos de dissipação de energia elétrica e mecânica e a dinâmica de espalhamento não linear em filmes hafnia em frequências de onda mm. "
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