Le nuove tecniche di ingegneria atomica hanno aperto interessanti opportunità per consentire il comportamento ferroelettrico nei dielettrici ad alto k, materiali che hanno un'elevata costante dielettrica (cioè kappa o k) rispetto al silicio. Ciò potrebbe a sua volta favorire lo sviluppo di una tecnologia più avanzata basata su CMOS con una gamma più ampia di funzioni o proprietà.
I ricercatori dell’Università della Florida hanno recentemente esplorato il potenziale dei materiali a base di afnia e zirconio ingegnerizzati atomicamente per la creazione di diversi componenti per sistemi elettronici. In un recente Nature Electronics articolo, hanno introdotto nuovi risonatori nanoelettromeccanici ad ampio spettro, componenti elettronici in grado di generare una frequenza di risonanza, basati su superreticoli di afnia-zirconia-allumina.
"Il mio gruppo di ricerca è stato il pioniere nell'esplorazione dell'afnia-zirconio ferroelettrico ingegnerizzato atomicamente come trasduttore integrato su scala nanometrica per nuovi paradigmi di sistemi nanoelettromeccanici basati su CMOS (CMOS-NEMS), con impatto trasformante nella generazione di orologi, rilevamento fisico, elaborazione spettrale e calcolo applicazioni", ha detto a Phys.org Roozbeh Tabrizian, il ricercatore principale che ha condotto lo studio. "Per tutte queste applicazioni, l'efficacia del funzionamento NEMS è essenzialmente determinata dall'efficienza dell'accoppiamento piezoelettrico nella pellicola di afnia-zirconio."
I film di afnia-zirconia hanno una struttura policristallina complessa costituita da domini con diverse morfologie polari e non polari, ciascuna delle quali contribuisce all'accoppiamento elettromeccanico in base alle condizioni al contorno elettriche e meccaniche. A causa di questa struttura complessa, i processi fisici fondamentali alla base della piezoelettricità in questi materiali rimangono poco compresi, il che rende difficile migliorare questa proprietà.
"Quando si mira specificamente all'uso di pellicole di afnia-zirconio per creare risonatori a frequenza ultra e altissima, l'accoppiamento piezoelettrico della pellicola a frequenze così elevate è una misura chiave che definisce le prestazioni e identifica la loro applicabilità per la creazione di orologi e filtri", ha detto Tabrizian. "Per rispondere a queste domande, abbiamo deciso di sviluppare esperimenti per svelare l'evoluzione dell'accoppiamento piezoelettrico nell'afnia-zirconia durante il polling elettrico."
Nell’ambito del loro recente lavoro, Tabrizian e i suoi colleghi hanno cercato di utilizzare approcci di ingegneria dei materiali per migliorare l’accoppiamento piezoelettrico (cioè un effetto che comporta un’interazione tra la fisica meccanica ed elettrica) nei superreticoli di afnia-zirconia-allumina. Infine, hanno utilizzato il materiale da loro ingegnerizzato per creare risonatori nanoelettromeccanici che potessero essere integrati in vari dispositivi elettronici basati su CMOS.
"I nostri risonatori nanoelettromeccanici afnia-zirconia-allumina hanno tre caratteristiche uniche", ha affermato Tabrizian. "Il primo è la loro intrinseca compatibilità CMOS e la disponibilità di materiali costituenti nella parte front-end del processo CMOS evidenzia un potenziale di trasformazione per l'integrazione monolitica degli stessi con circuiti a stato solido. Ciò consente la creazione di orologi, filtri, sensori e computer meccanici che sono ordini di grandezza superiori in termini di prestazioni ed efficienza energetica e inferiori in termini di dimensioni e costi."
Un secondo vantaggio dei risonatori creati da Tabrizian e dai suoi colleghi è che possono essere facilmente adattati a frequenze super ed estremamente elevate, poiché i film di afnia-zirconia su cui sono basati possono essere ridotti in modo significativo. In particolare, una volta ridotte a pochi nanometri, le pellicole progettate dai ricercatori hanno mantenuto il loro ampio accoppiamento piezoelettrico.
Di conseguenza, questi film potrebbero essere utilizzati per creare molti diversi dispositivi integrati CMOS, inclusi risonatori, orologi e filtri che funzionano a decine di gigahertz. Questi sistemi integrati CMOS ad alta frequenza saranno fondamentali per sviluppare le tecnologie di comunicazione wireless di prossima generazione.
"In terzo luogo, beneficiando del comportamento ferroelettrico, l'accoppiamento piezoelettrico nell'afnia-zirconio può essere attivato e disattivato mediante l'applicazione temporanea di una tensione continua", ha spiegato Tabrizian. "Ciò consente la creazione di dispositivi di controllo della frequenza che sono intrinsecamente commutabili, eliminando la necessità di interruttori esterni e il loro consumo energetico, perdite e sovraccarico di ingombro. Ciò è fondamentale quando si mira all'estensione del sistema al funzionamento multi-banda multi-frequenza che richiede configurazione agile all'interno di una serie di risonatori con frequenze diverse."
Il recente lavoro di questo team di ricercatori migliora l'attuale comprensione di come si evolve l'accoppiamento piezoelettrico nei trasduttori afnia-zirconia, passando dal regime quadratico non lineare nei film as-deposited al regime lineare richiesto per creare sistemi di controllo della frequenza. Questa commutazione avviene spontaneamente quando i film di afnia-zirconia sono esposti a un ciclo di campo elettrico sufficiente.
"Il nostro studio evidenzia anche il potenziale dell'utilizzo di sottili interstrati di allumina all'interno del trasduttore di afnia-zirconia (ovvero, creando il superreticolo di afnia-zirconia-allumina) per migliorare l'accoppiamento piezoelettrico del trasduttore e sostenere questo accoppiamento anche una volta che le pellicole vengono rilasciate dal substrato al trasduttore. formano membrane levitanti", ha detto Tabrizian. "Con queste conoscenze, facciamo luce sull'approccio produttivo per la creazione di risonatori di afnia-zirconio-allumina ad alte prestazioni che funzionano con un fattore di alta qualità e accoppiamento a frequenze ultra e altissime."
Finora, Tabrizian e i suoi colleghi hanno utilizzato con successo le loro pellicole per sviluppare risonatori ad alte prestazioni con una copertura compresa tra le frequenze 0,2-20 GHz. Nei prossimi studi, tuttavia, intendono esplorare il potenziale dei film per creare altri componenti elettronici, integrando e testando anche i risonatori che hanno creato in vari microsistemi.
"Una direzione chiave per la nostra ricerca futura sarà l'integrazione dei risonatori nanoelettromeccanici di afnia-zirconia-allumina sviluppati su chip CMOS per creare il primo oscillatore monolitico CMOS-NEMS ad altissima frequenza", ha aggiunto Tabrizian. "Inoltre, mireremo all'esplorazione di metodi per la stabilizzazione della temperatura dei risonatori di afnia-zirconio-allumina attraverso l'ingegneria dei materiali. Ciò è essenziale per la realizzazione di oscillatori stabili per applicazioni di generazione di clock e riferimenti di frequenza."
Ulteriori informazioni: Troy Tharpe et al, Risonatori nanoelettromeccanici per il controllo della frequenza gigahertz basati su superreticoli di afnia-zirconia-allumina, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-00999-9
Mayur Ghatge et al, Un trasduttore nanoelettromeccanico integrato ultrasottile basato su ossido di afnio e zirconio, Nature Electronics (2019). DOI:10.1038/s41928-019-0305-3
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