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電（NEMS）諧振器對于開發(fā)更先進的半導體電子產(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換能器可以實現(xiàn)超小型傳感器和執(zhí)行器的開發(fā)，以超高分辨率實現(xiàn)與外界的原子級機械相互作用。不過目前為止，在納米級實現(xiàn)集成的機電轉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》（Nature Electronics）上的一項最新研究顯示，佛羅里達大學（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。該研究團隊包括兩名高級研究人員Roozbeh Tabrizian和Nishida Toshikazu，以及學生Mayur Ghatge和Glenn Walters。

領導這項研究的Tabrizian表示：“我們的研究踐行了半導體傳感器和執(zhí)行器領域的長期追求，即真正集成的NEMS換能器。NEMS換能器有助于利用半導體納米結構中的高頻和高Q值機械諧振動力學特性，在厘米波和毫米波范圍實現(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現(xiàn)物理傳感和執(zhí)行應用的MEMS器件。與光學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，它們使芯片級機械元件成為可能，這對于MEMS器件的許多實際應用至關重要，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，才能獲得有效機電轉換所需要的晶體結構。進一步減小膜厚會大大降低機電轉換效率，使換能器無法檢測或感應納米級的微小運動?！?/p>

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行工程設計，以在幾個納米的厚度實現(xiàn)有效的機電轉換。

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）的獨特特性，用于制造具有鐵電特性的亞穩(wěn)定晶相薄膜。當薄膜縮放到幾個納米時，可以利用原子工程技術（例如摻雜和堆疊）來穩(wěn)定亞穩(wěn)定晶相。

Tabrizian說：“原子工程設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，實現(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、光譜學和無線通信應用的新器件開發(fā)創(chuàng)造了新可能?？梢詮暮撩撞蒒EMS諧振器獲益的特定應用包括：用于新興無線技術（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，以及光譜學應用的芯片級極高頻源等。