Técnicas de engenharia atômica recentemente desenvolvidas abriram oportunidades interessantes para permitir o comportamento ferroelétrico em dielétricos de alto k, materiais que possuem uma constante dielétrica alta (isto é, kappa ou k) em comparação com o silício. Isto, por sua vez, poderia informar o desenvolvimento de tecnologia mais avançada baseada em CMOS, com uma gama mais ampla de funções ou propriedades.



Pesquisadores da Universidade da Flórida exploraram recentemente o potencial de materiais à base de háfnia e zircônia projetados atomicamente para a criação de diferentes componentes para sistemas eletrônicos. Em um recente artigo da Nature Electronics No artigo, eles introduziram novos ressonadores nanoeletromecânicos de amplo espectro, componentes eletrônicos que podem gerar uma frequência ressonante, baseados em superredes de háfnia-zircônia-alumina.

"Meu grupo de pesquisa foi pioneiro na exploração de hafnia-zircônia ferroelétrica de engenharia atômica como um transdutor integrado em nanoescala para novos paradigmas de sistemas nanoeletromecânicos baseados em CMOS (CMOS-NEMS), com impacto transformador na geração de relógio, detecção física, processamento espectral e computação aplicações", disse Roozbeh Tabrizian, o investigador principal que liderou o estudo, ao Phys.org. "Para todas essas aplicações, a eficácia da operação NEMS é essencialmente definida pela eficiência do acoplamento piezoelétrico no filme háfnia-zircônia."

Os filmes de Hafnia-zircônia possuem uma estrutura policristalina complexa que consiste em domínios com diferentes morfologias polares e apolares, cada um dos quais contribui para o acoplamento eletromecânico dependendo das condições de contorno elétricas e mecânicas. Devido a esta estrutura intrincada, os processos físicos fundamentais que sustentam a piezoeletricidade nestes materiais permanecem pouco compreendidos, o que torna o aprimoramento desta propriedade um desafio.

"Ao visar especificamente o uso de filmes de háfnia-zircônia para criar ressonadores de frequência ultra e super-alta, o acoplamento piezoelétrico do filme em frequências tão altas é uma medida chave que define o desempenho e identifica sua aplicabilidade para a criação de relógios e filtros", disse Tabrizian. "Para responder a essas questões, decidimos desenvolver experimentos para desvendar a evolução do acoplamento piezoelétrico em háfnia-zircônia durante a pesquisa elétrica."

Como parte de seu trabalho recente, Tabrizian e seus colegas tentaram usar abordagens de engenharia de materiais para melhorar o acoplamento piezoelétrico (ou seja, um efeito que envolve uma interação entre física mecânica e elétrica) em superredes de háfnia-zircônia-alumina. Finalmente, eles usaram o material que desenvolveram para criar ressonadores nanoeletromecânicos que poderiam ser integrados em vários dispositivos eletrônicos baseados em CMOS.

"Nossos ressonadores nanoeletromecânicos de háfnia-zircônia-alumina têm três características únicas", disse Tabrizian. "A primeira é a compatibilidade CMOS inerente e a disponibilidade de materiais constituintes no front-end do processo CMOS destaca um potencial transformador para integração monolítica deles com circuitos de estado sólido. Isso permite a criação de relógios, filtros, sensores e computadores mecânicos que são ordens de magnitude superiores em desempenho e eficiência energética e inferiores em tamanho e custo."

Uma segunda vantagem dos ressonadores criados por Tabrizian e seus colegas é que eles podem ser facilmente dimensionados para frequências super e extremamente altas, já que os filmes de háfnia-zircônia nos quais se baseiam podem ser reduzidos significativamente. Notavelmente, quando reduzidos para alguns nanômetros, os filmes desenvolvidos pelos pesquisadores mantiveram seu grande acoplamento piezoelétrico.

Como resultado, esses filmes poderiam ser usados ​​para criar muitos dispositivos diferentes integrados ao CMOS, incluindo ressonadores, relógios e filtros que operam a dezenas de gigahertz. Estes sistemas integrados em CMOS de alta frequência serão cruciais para o desenvolvimento de tecnologias de comunicação sem fios da próxima geração.

"Em terceiro e último lugar, beneficiando-se do comportamento ferroelétrico, o acoplamento piezoelétrico em háfnia-zircônia pode ser ligado e desligado pela aplicação temporária de uma tensão CC", explicou Tabrizian. "Isso permite a criação de dispositivos de controle de frequência que são intrinsecamente comutáveis, o que evita a necessidade de comutadores externos e seu consumo de energia, perda e sobrecarga de espaço. Isso é crucial quando se visa a extensão do sistema para operação multifrequência e multibanda que requer configuração ágil dentro de uma série de ressonadores com frequências diferentes."

O trabalho recente desta equipe de pesquisadores melhora a compreensão atual de como o acoplamento piezoelétrico evolui em transdutores de háfnia-zircônia, mudando do regime quadrático não linear em filmes depositados para o regime linear necessário para criar sistemas de controle de frequência. Essa mudança ocorre espontaneamente quando os filmes de háfnia-zircônia projetados são expostos a ciclos de campo elétrico suficientes.

"Nosso estudo também destaca o potencial do uso de camadas finas de alumina dentro do transdutor de háfnia-zircônia (ou seja, criando a superrede de háfnia-zircônia-alumina) para melhorar o acoplamento piezoelétrico do transdutor e sustentar esse acoplamento mesmo quando os filmes são liberados do substrato para formam membranas levitantes", disse Tabrizian. "Com esse conhecimento, lançamos luz sobre a abordagem de fabricação para a criação de ressonadores de háfnia-zircônia-alumina de alto desempenho que operam com alto fator de qualidade e acoplamento em frequências ultra e superaltas."

Até agora, Tabrizian e seus colegas usaram com sucesso seus filmes para desenvolver ressonadores de alto desempenho com uma cobertura que abrange frequências entre 0,2–20 GHz. Em seus próximos estudos, porém, eles planejam explorar o potencial dos filmes para criar outros componentes eletrônicos, ao mesmo tempo que integram e testam os ressonadores que criaram em diversos microssistemas.

"Uma direção chave para nossa pesquisa futura será a integração dos ressonadores nanoeletromecânicos de háfnia-zircônia-alumina desenvolvidos em chips CMOS para criar o primeiro oscilador CMOS-NEMS monolítico de super-alta frequência", acrescentou Tabrizian. "Além disso, teremos como objetivo a exploração de métodos para estabilização de temperatura de ressonadores de háfnia-zircônia-alumina por meio da engenharia de materiais. Isso é essencial para a realização de osciladores estáveis ​​para aplicações de geração de referência de frequência e relógio."

Mais informações: Troy Tharpe et al, Ressonadores nanoeletromecânicos para controle de frequência gigahertz baseados em superredes de háfnia-zircônia-alumina, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-00999-9
Mayur Ghatge et al, Um transdutor nanoeletromecânico integrado ultrafino baseado em óxido de zircônio e háfnio, Nature Electronics (2019). DOI:10.1038/s41928-019-0305-3

Informações do diário: Eletrônica da Natureza

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