Фундаментальное ограничение толщины нанопреобразователей преодолено
Интегрированные наноэлектромеханические преобразователи делают возможным создание сверхминиатюрных датчиков и актуаторов для механического взаимодействия с окружающей средой на атомном уровне. Однако реализация электромеханического преобразования в наномасштабе представляет очень непростую задачу.
В работе, о которой рассказывает недавняя публикация в Nature Electronics, инженеры университета штата Флорида сконструировали сверхтонкий электромеханический преобразователь из ферроэлектрических плёнок цирконий-гафниевого оксида (Hf0.5Zr0.5O2) толщиной 10 нанометров.
«Проблема обычных плёнок преобразователей заключается в фундаментальных ограничениях масштабирования, — пояснил один из руководителей исследовательской группы, Рузбех Табризян (Roozbeh Tabrizian). — Например, пленки нитрида алюминия, широко применяющиеся в радиочастотных фильтрах современных мобильных телефонов, должны быть толщиной в нескольких сотен нанометров, чтобы обеспечить кристаллическую текстуру, требуемую для эффективного электромеханического преобразования. Дальнейшее уменьшение толщины пленки резко снижает эффективность преобразования и препятствует обнаружению и генерированию датчиком исчезающе малых движения на наноуровне».
По сравнению с традиционными плёнками для преобразователей плёнки оксида циркония/гафния обладают существенными преимуществами. В частности, их можно модифицировать на атомном уровне (например, легированием или атомно-слоевой техникой, ALS), стабилизируя метастабильные ферроэлектрические фазы гафния и получая эффективное электромеханическое преобразование при толщинах всего несколько нанометров.
В своей работе университетские исследователи интегрировали полученные сверхтонкие преобразователи в силиконовые и нитрид-алюминиевые мембраны, получив резонаторы с характерными частотами между 340 кГц и 13 ГГц и рекордно высоким коэффициентом добротности — 3,97*1012.
Важнейшие приложения, которые смогут выиграть от появления подобных наномеханических резонаторов для миллиметрового радиодиапазона это, в первую очередь, встраиваемые сверхширокополосные фильтры для 5G и будущих, более совершенных беспроводных технологий, преобразователи для квантовых сенсоров, работающих при комнатных температурах, и источники сверхвысоких частот для спектроскопии.