Immagine al microscopio elettronico a scansione di un risonatore nanoelettromeccanico integrato con trasduttore Hf0.5Zr0.5O2 da 10 nm. Credito:Ghatge et al.
Risonatori nanomeccanici di recente sviluppo che possono operare a super-alti (cioè, da tre a 30 GHz) e regimi di frequenza estremamente elevati (da 30 a 300 GHz) potrebbero essere estremamente preziosi per lo sviluppo di elettronica dei semiconduttori più avanzata come processori spettrali a banda larga e sensori risonanti ad alta risoluzione. I trasduttori nanoelettromeccanici integrati potrebbero consentire lo sviluppo di sensori e attuatori molto piccoli per facilitare l'interazione meccanica con il mondo esterno a livello atomico con una risoluzione ultra elevata. Però, la realizzazione di una trasduzione elettromeccanica integrata su scala nanometrica si è finora rivelata molto impegnativa.
In un recente studio pubblicato su Elettronica della natura , ricercatori dell'Università della Florida sono stati in grado di fabbricare un trasduttore nanoelettromeccanico ultrasottile utilizzando ossido di afnio zirconio ferroelettrico di 10 nm di spessore (Hf 0,5 Zr 0,5 oh 2 ) film. Il team comprende due ricercatori senior, Roozbeh Tabrizian e Toshikazu Nishida, così come gli studenti Mayur Ghatge e Glenn Walters.
"La nostra ricerca ha seguito la ricerca di lunga data nelle comunità di sensori e attuatori a semiconduttore per trasduttori nanoelettromeccanici realmente integrati, " Tabriziano, il ricercatore capo dello studio, ha detto a TechXplore. "I trasduttori nanoelettromeccanici facilitano lo sfruttamento dell'alta frequenza e del fattore di alta qualità ( Q ) dinamica di risonanza meccanica in nanostrutture di semiconduttori per realizzare riferimenti di frequenza integrati monoliticamente e processori spettrali a banda larga a regimi di onde centimetriche e millimetriche."
Negli ultimi dieci anni o giù di lì, i ricercatori hanno iniziato a realizzare sistemi microelettromeccanici (MEMS) sia per il rilevamento fisico che per l'attuazione utilizzando pellicole per trasduttori piezoelettrici. Questi trasduttori a film sottile hanno notevoli meriti di integrazione rispetto ad altri schemi di trasduzione elettromeccanica come soluzioni ottiche e magnetiche. Ad esempio, consentono l'accesso su scala di chip ai componenti meccanici, che è di vitale importanza per molte applicazioni pratiche dei MEMS, compresa la generazione del riferimento di frequenza, elaborazione spettrale, e rilevamento ad alta risoluzione.
"Un problema sostanziale con le pellicole per trasduttori convenzionali, però, sono i loro limiti di scala fondamentali, " ha spiegato Tabrizian. "Per esempio, i film di nitruro di alluminio che sono molto diffusi nei filtri RF utilizzati nei telefoni cellulari di oggi richiedono uno spessore nell'intervallo di poche centinaia di nanometri per produrre la struttura cristallina richiesta per un'efficiente trasduzione elettromeccanica. L'ulteriore restringimento dello spessore del film riduce drasticamente l'efficienza della trasduzione elettromeccanica e impedisce al trasduttore di rilevare o indurre movimenti estremamente piccoli su scala nanometrica".
Le pellicole a base di ossido di afnio e zirconio sviluppate da Tabrizian e dai suoi colleghi presentano vantaggi significativi rispetto alle pellicole per trasduttori più tradizionali. Ad esempio, possono essere ingegnerizzati, a livello atomico, per ottenere un'efficiente trasduzione elettromeccanica a pochi nanometri di spessore.
Immagine al microscopio elettronico a trasmissione della sezione trasversale del risonatore, evidenziando il film ferroelettrico Hf0.5Zr0.5O2 di 10 nm di spessore inserito tra elettrodi di nitruro di titanio (TiN) di 10 nm di spessore. Credito:Ghatge et al.
Questa importante caratteristica è il risultato di una caratteristica unica dell'afnia a strati atomici che hanno usato per fabbricare i film, che possiedono fasi cristalline metastabili con proprietà ferroelettriche. Quando il film viene ridimensionato a pochi nanometri, queste fasi possono essere stabilizzate utilizzando tecniche di ingegneria atomica, come il doping e lo stacking.
"I film a base di afnia ingegnerizzati atomicamente sono emersi di recente come una nuova classe di ferroelettrici con un alto potenziale per realizzare unità di memoria non volatile a bassissima potenza ed estremamente miniaturizzate, " Tabrizian ha detto. "In questo lavoro, per la prima volta, stiamo sfruttando l'effetto elettrostrittivo osservato nell'ossido di afnio zirconio ferroelettrico supersottile (Hf 0,5 Zr 0,5 oh 2 ) per realizzare risonatori nanomeccanici ad alta frequenza e ad alto Q."
Nel loro studio, i ricercatori hanno integrato i loro trasduttori nanoelettromeccanici ultrasottili in membrane di silicio e nitruro di alluminio, ottenere risonatori con frequenze comprese tra 340 kHz e 13 GHz e un prodotto Q ad alta frequenza da record di 3,97 × 10 12 .
"La nostra dimostrazione pone il trasduttore a base di afnia ingegnerizzato atomicamente come il più sottile al mondo per consentire risonatori nanomeccanici integrati, " Tabrizian ha detto. "I risonatori che abbiamo sviluppato evidenziano la fattibilità del ridimensionamento estremo dei risonatori nanomeccanici integrati al regime delle onde mm".
Il trasduttore nanoelettromeccanico integrato ultrasottile fabbricato da Tabrizian e dai suoi colleghi apre nuove entusiasmanti possibilità per lo sviluppo di nuovi dispositivi per il rilevamento di precisione, generazione di riferimento, spettroscopia, e comunicazione senza fili. Applicazioni specifiche che potrebbero trarre vantaggio dai risonatori nanomeccanici integrati a onde mm includono filtri a banda ultra larga su scala di chip per tecnologie wireless emergenti (ad es. 5G e oltre), trasduttori a scala di chip per sensori quantistici a temperatura ambiente, e sorgenti ad altissima frequenza su scala chip per la spettroscopia.
"Stiamo ora esplorando i limiti di scala di frequenza dei risonatori nanomeccanici basati sull'afnia e lo sviluppo di tecniche di ingegneria atomica per superare tali limiti, Tabrizian ha detto. "Siamo particolarmente interessati a comprendere i meccanismi di dissipazione dell'energia elettrica e meccanica e le dinamiche di scattering non lineare nei film di afnia alle frequenze delle onde mm".
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