近期開發(fā)的可以在超高（3~30 GHz）和極高（30~300 GHz）頻率范圍工作的納米機(jī)電（NEMS）諧振器對于開發(fā)更先進(jìn)的半導(dǎo)體電子產(chǎn)品（如寬帶頻譜處理器和高分辨率諧振傳感器）具有極其重要的價值。集成的NEMS換能器可以實(shí)現(xiàn)超小型傳感器和執(zhí)行器的開發(fā)，以超高分辨率實(shí)現(xiàn)與外界的原子級機(jī)械相互作用。不過目前為止，在納米級實(shí)現(xiàn)集成的機(jī)電轉(zhuǎn)換已被證明非常具有挑戰(zhàn)性。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期發(fā)表在《自然·電子學(xué)》（Nature Electronics）上的一項(xiàng)最新研究顯示，佛羅里達(dá)大學(xué)（University of Florida）的研究人員能夠利用10nm（納米）厚的鐵電鋯鉿氧化物（Hf0.5Zr0.5O2）薄膜制造超薄NEMS換能器。該研究團(tuán)隊(duì)包括兩名高級研究人員Roozbeh Tabrizian和Nishida Toshikazu，以及學(xué)生Mayur Ghatge和Glenn Walters。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的Tabrizian表示：“我們的研究踐行了半導(dǎo)體傳感器和執(zhí)行器領(lǐng)域的長期追求，即真正集成的NEMS換能器。NEMS換能器有助于利用半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)中的高頻和高Q值機(jī)械諧振動力學(xué)特性，在厘米波和毫米波范圍實(shí)現(xiàn)單片集成的頻率參考和寬帶頻譜處理器。”

過去十年來，研究人員開始利用壓電換能器薄膜實(shí)現(xiàn)物理傳感和執(zhí)行應(yīng)用的MEMS器件。與光學(xué)和磁性等其它換能方案相比，這些薄膜換能器具有顯著的集成優(yōu)勢。例如，它們使芯片級機(jī)械元件成為可能，這對于MEMS器件的許多實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要，包括頻率參考生成、頻譜處理和高分辨率傳感等。

Tabrizian解釋稱：“不過，傳統(tǒng)換能器薄膜的一個主要問題是其基本的縮放限制。例如，如今智能手機(jī)所使用的射頻（RF）濾波器中廣泛使用的氮化鋁（AlN）薄膜的厚度需要在幾百納米的范圍，才能獲得有效機(jī)電轉(zhuǎn)換所需要的晶體結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步減小膜厚會大大降低機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，使換能器無法檢測或感應(yīng)納米級的微小運(yùn)動。”

由Tabrizian及其同事開發(fā)的基于鋯鉿氧化物的薄膜比傳統(tǒng)的換能器薄膜具有明顯優(yōu)勢。例如，可以在原子水平上對它們進(jìn)行工程設(shè)計，以在幾個納米的厚度實(shí)現(xiàn)有效的機(jī)電轉(zhuǎn)換。

由鋯鉿氧化物制成的超薄NEMS換能器（透射電子顯微鏡剖視圖），突出顯示了夾在10nm厚氮化鈦（TiN）電極之間的10nm厚鐵電Hf0.5Zr0.5O2薄膜。

這種重要特征源于原子層氧化鉿（hafnia）的獨(dú)特特性，用于制造具有鐵電特性的亞穩(wěn)定晶相薄膜。當(dāng)薄膜縮放到幾個納米時，可以利用原子工程技術(shù)（例如摻雜和堆疊）來穩(wěn)定亞穩(wěn)定晶相。

Tabrizian說：“原子工程設(shè)計的基于氧化鉿的薄膜最近興起成為一種新型的鐵電材料，具有實(shí)現(xiàn)超低功耗和超小型化非易失性存儲單元的巨大潛力。在這項(xiàng)研究中，我們首次采用超薄鐵電鋯鉿氧化物觀察到的電致伸縮效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高頻和高Q值NEMS諧振器。”

在他們的研究中，研究人員將他們的超薄NEMS換能器集成到了氮化硅和氮化鋁薄膜中，從而實(shí)現(xiàn)了頻率范圍在340 kHz~13 GHz之間的諧振器，并獲得了創(chuàng)紀(jì)錄的3.97 x 1012高頻Q值。

由Tabrizian及其同事制造的這種超薄集成NEMS換能器，為精確傳感、頻率參考生成、光譜學(xué)和無線通信應(yīng)用的新器件開發(fā)創(chuàng)造了新可能。可以從毫米波集成NEMS諧振器獲益的特定應(yīng)用包括：用于新興無線技術(shù)（即5G及更高版本）的超寬帶芯片級濾波器，用于室溫量子傳感的芯片級傳感器，以及光譜學(xué)應(yīng)用的芯片級極高頻源等。