Une image au microscope électronique à balayage d'un résonateur nanoélectromécanique intégré avec un transducteur Hf0.5Zr0.5O2 de 10 nm. Crédit :Ghatge et al.
Résonateurs nanomécaniques récemment développés qui peuvent fonctionner à très haut niveau (c'est-à-dire, trois à 30 GHz) et des régimes de fréquence extrêmement élevés (30 à 300 GHz) pourraient être extrêmement utiles pour le développement d'électronique semi-conductrice plus avancée, comme les processeurs spectraux à large bande et les capteurs résonants haute résolution. Des transducteurs nanoélectromécaniques intégrés pourraient permettre le développement de très petits capteurs et actionneurs pour faciliter l'interaction mécanique avec le monde extérieur au niveau atomique avec une ultra-haute résolution. Cependant, réaliser une transduction électromécanique intégrée à l'échelle nanométrique s'est jusqu'à présent avéré très difficile.
Dans une étude récente publiée dans Nature Électronique , des chercheurs de l'Université de Floride ont pu fabriquer un transducteur nanoélectromécanique ultrafin à l'aide d'oxyde ferroélectrique de hafnium et de zirconium de 10 nm d'épaisseur (Hf
"Nos recherches ont suivi la quête de longue date des communautés de capteurs et d'actionneurs à semi-conducteurs pour des transducteurs nanoélectromécaniques véritablement intégrés, " Tabrizian, le chercheur principal de l'étude, a déclaré TechXplore. "Les transducteurs nanoélectromécaniques facilitent l'exploitation du facteur haute fréquence et de haute qualité ( Q ) dynamique de résonance mécanique dans les nanostructures semi-conductrices pour réaliser des références de fréquence intégrées de manière monolithique et des processeurs spectraux à large bande à des régimes d'ondes centimétriques et millimétriques."
Au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont commencé à réaliser des systèmes micro-électromécaniques (MEMS) à des fins de détection physique et d'actionnement à l'aide de films transducteurs piézoélectriques. Ces transducteurs à couche mince ont des avantages d'intégration considérables par rapport à d'autres schémas de transduction électromécaniques tels que les solutions optiques et magnétiques. Par exemple, ils permettent un accès à l'échelle de la puce aux composants mécaniques, qui est d'une importance vitale pour de nombreuses applications pratiques des MEMS, y compris la génération de référence de fréquence, traitement spectral, et la détection à haute résolution.
"Un problème substantiel avec les films transducteurs conventionnels, cependant, sont leurs limites d'échelle fondamentales, " expliqua Tabrizian. " Par exemple, Les films de nitrure d'aluminium qui sont répandus dans les filtres RF utilisés dans les téléphones mobiles d'aujourd'hui nécessitent une épaisseur de l'ordre de quelques centaines de nanomètres pour produire la texture cristalline requise pour une transduction électromécanique efficace. Un rétrécissement supplémentaire de l'épaisseur du film réduit considérablement l'efficacité de la transduction électromécanique et empêche le transducteur de détecter ou d'induire des mouvements extrêmement petits à l'échelle nanométrique. »
Les films à base d'oxyde de zirconium et d'hafnium développés par Tabrizian et ses collègues présentent des avantages significatifs par rapport aux films transducteurs plus traditionnels. Par exemple, ils peuvent être conçus, au niveau atomique, pour produire une transduction électromécanique efficace à quelques nanomètres d'épaisseur.
Image au microscope électronique à transmission de la section du résonateur, mettant en évidence le film ferroélectrique Hf0.5Zr0.5O2 de 10 nm d'épaisseur pris en sandwich entre des électrodes de nitrure de titane (TiN) de 10 nm d'épaisseur. Crédit :Ghatge et al.
Cette caractéristique importante est le résultat d'une caractéristique unique de la hafnie à couches atomiques qu'ils ont utilisée pour fabriquer les films, qui possèdent des phases cristallines métastables avec des propriétés ferroélectriques. Lorsque le film est à l'échelle de quelques nanomètres, ces phases peuvent être stabilisées par des techniques d'ingénierie atomique, comme le dopage et l'empilement.
« Les films à base de hafnia de conception atomique ont récemment émergé comme une nouvelle classe de ferroélectriques à haut potentiel pour réaliser des unités de mémoire non volatiles à ultra-faible consommation et extrêmement miniaturisées, " dit Tabrizian. " Dans ce travail, pour la première fois, nous exploitons l'effet électrostrictif observé dans l'oxyde de zirconium hafnium ferroélectrique super-mince (Hf
Dans leur étude, les chercheurs ont intégré leurs transducteurs nanoélectromécaniques ultra-minces dans des membranes de silicium et de nitrure d'aluminium, obtenir des résonateurs avec des fréquences comprises entre 340 kHz et 13 GHz et un produit Q de haute fréquence record de 3,97 × 10 12 .
"Notre démonstration place le transducteur à base de hafnia de conception atomique comme le plus fin au monde pour permettre des résonateurs nano-mécaniques intégrés, " a déclaré Tabrizian. " Les résonateurs que nous avons développés mettent en évidence la faisabilité d'une mise à l'échelle extrême des résonateurs nano-mécaniques intégrés au régime d'ondes mm. "
Le transducteur nanoélectromécanique intégré ultrafin fabriqué par Tabrizian et ses collègues ouvre de nouvelles possibilités passionnantes pour le développement de nouveaux dispositifs de détection de précision, génération de référence, spectroscopie, et la communication sans fil. Les applications spécifiques qui pourraient bénéficier des résonateurs nanomécaniques intégrés à ondes mm comprennent les filtres à puce ultra-large bande pour les technologies sans fil émergentes (c. 5G et au-delà), transducteurs à puce pour capteurs quantiques à température ambiante, et des sources à très haute fréquence à l'échelle de la puce pour la spectroscopie.
« Nous explorons maintenant les limites d'échelle de fréquence des résonateurs nanomécaniques à base de hafnia et le développement de techniques d'ingénierie atomique pour dépasser ces limites, " a déclaré Tabrizian. "Nous sommes particulièrement intéressés à comprendre les mécanismes de dissipation d'énergie électrique et mécanique et la dynamique de diffusion non linéaire dans les films de hafnia à des fréquences d'ondes mm."
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