Resonadores nanomecánicos desarrollados recientemente que pueden funcionar a altísimos niveles (es decir, tres a 30 GHz) y regímenes de frecuencia extremadamente altos (30 a 300 GHz) podrían ser extremadamente valiosos para el desarrollo de componentes electrónicos de semiconductores más avanzados, como procesadores espectrales de banda ancha y sensores resonantes de alta resolución. Los transductores nanoelectromecánicos integrados podrían permitir el desarrollo de sensores y actuadores muy pequeños para facilitar la interacción mecánica con el mundo exterior a nivel atómico con resolución ultra alta. Sin embargo, La realización de la transducción electromecánica integrada a nanoescala ha demostrado hasta ahora ser un gran desafío.

En un estudio reciente publicado en Electrónica de la naturaleza , investigadores de la Universidad de Florida pudieron fabricar un transductor nanoelectromecánico ultradelgado utilizando óxido de circonio de hafnio ferroeléctrico de 10 nm de espesor (Hf _0,5 Zr _0,5 O ₂ ) Película (s. El equipo incluye dos investigadores senior, Roozbeh Tabrizian y Toshikazu Nishida, así como los estudiantes Mayur Ghatge y Glenn Walters.

"Nuestra investigación ha seguido la búsqueda de larga data en las comunidades de actuadores y sensores de semiconductores de transductores nanoelectromecánicos verdaderamente integrados, "Tabrizian, el investigador principal del estudio, dijo a TechXplore. "Los transductores nanoelectromecánicos facilitan el aprovechamiento de factores de alta frecuencia y alta calidad ( Q ) dinámica de resonancia mecánica en nanoestructuras semiconductoras para realizar referencias de frecuencia integradas monolíticamente y procesadores espectrales de banda ancha en regímenes de ondas centimétricas y milimétricas ".

Durante la última década más o menos, Los investigadores comenzaron a realizar sistemas microelectromecánicos (MEMS) para fines tanto de detección como de activación utilizando películas de transductores piezoeléctricos. Estos transductores de película fina tienen considerables ventajas de integración en comparación con otros esquemas de transducción electromecánica, como las soluciones ópticas y magnéticas. Por ejemplo, Permiten el acceso a escala de chip a componentes mecánicos, que es de vital importancia para muchas aplicaciones prácticas de MEMS, incluida la generación de referencia de frecuencia, procesamiento espectral, y detección de alta resolución.

"Un problema sustancial con las películas de transductores convencionales, sin embargo, son sus limitaciones fundamentales de escala, ", Explicó Tabrizian." Por ejemplo, Las películas de nitruro de aluminio que están muy extendidas en los filtros de RF utilizados en los teléfonos móviles actuales requieren un grosor en el rango de unos pocos cientos de nanómetros para producir la textura cristalina requerida para una transducción electromecánica eficiente. Una mayor contracción del espesor de la película reduce drásticamente la eficiencia de la transducción electromecánica y evita que el transductor detecte o induzca movimientos diminutos a nanoescala ".

Las películas a base de óxido de circonio y hafnio desarrolladas por Tabrizian y sus colegas tienen ventajas significativas sobre las películas de transductores más tradicionales. Por ejemplo, se pueden diseñar, a nivel atómico, para producir una transducción electromecánica eficiente con unos pocos nanómetros de espesor.

Esta importante característica es el resultado de una característica única de la hafnia de capas atómicas que utilizaron para fabricar las películas. que poseen fases cristalinas metaestables con propiedades ferroeléctricas. Cuando la película se escala a unos pocos nanómetros, estas fases se pueden estabilizar mediante técnicas de ingeniería atómica, como el dopaje y el apilamiento.

"Las películas basadas en hafnia de ingeniería atómica han surgido recientemente como una nueva clase de ferroeléctricos con alto potencial para realizar unidades de memoria no volátiles de ultra baja potencia y extremadamente miniaturizadas, "Tabrizian dijo." En este trabajo, por primera vez, estamos explotando el efecto electroestrictivo observado en óxido de circonio de hafnio ferroeléctrico superfino (Hf _0,5 Zr _0,5 O ₂ ) para realizar resonadores nanomecánicos de alta frecuencia y alta Q ".

En su estudio, los investigadores integraron sus transductores nanoelectromecánicos ultrafinos en membranas de silicio y nitruro de aluminio, logrando resonadores con frecuencias que oscilan entre 340 kHz y 13 GHz y un producto Q de frecuencia récord de 3,97 × 10 ¹² .

"Nuestra demostración coloca al transductor basado en hafnia de ingeniería atómica como el más delgado del mundo para permitir resonadores nanomecánicos integrados, "Dijo Tabrizian." Los resonadores que desarrollamos destacan la viabilidad de escalado extremo de resonadores nanomecánicos integrados al régimen de ondas milimétricas ".

El transductor nanoelectromecánico integrado ultradelgado fabricado por Tabrizian y sus colegas abre nuevas e interesantes posibilidades para el desarrollo de nuevos dispositivos para la detección de precisión. generación de referencia, espectroscopia, y comunicación inalámbrica. Las aplicaciones específicas que podrían beneficiarse de los resonadores nanomecánicos integrados de onda mm incluyen filtros de escala de chip de banda ultra ancha para tecnologías inalámbricas emergentes (es decir, 5G y más allá), transductores a escala de chip para sensores cuánticos de temperatura ambiente, y fuentes de frecuencia extremadamente alta a escala de chip para espectroscopía.

"Ahora estamos explorando los límites de escalamiento de frecuencia de los resonadores nanomecánicos basados ​​en hafnia y el desarrollo de técnicas de ingeniería atómica para superar esos límites". ", Dijo Tabrizian." Estamos específicamente interesados ​​en comprender los mecanismos de disipación de energía eléctrica y mecánica y la dinámica de dispersión no lineal en películas de hafnia en frecuencias de ondas mm ".

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