Resonadores nanoelectromecánicos basados ​​en hafnia

Jun 29, 2023

Característica del 2 de agosto de 2023

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

Las técnicas de ingeniería atómica recientemente desarrolladas han abierto interesantes oportunidades para permitir el comportamiento ferroeléctrico en dieléctricos de alta k, materiales que tienen una constante dieléctrica alta (es decir, kappa o k) en comparación con el silicio. Esto, a su vez, podría contribuir al desarrollo de tecnología basada en CMOS más avanzada con una gama más amplia de funciones o propiedades.

Investigadores de la Universidad de Florida han estado explorando recientemente el potencial de los materiales a base de hafnia y circonio diseñados atómicamente para crear diferentes componentes para sistemas electrónicos. En un artículo reciente de Nature Electronics, introdujeron nuevos resonadores nanoelectromecánicos de amplio espectro, componentes electrónicos que pueden generar una frecuencia resonante, basados ​​en superredes de hafnia-zirconia-alúmina.

"Mi grupo de investigación ha sido pionero en la exploración de hafnia-zirconia ferroeléctrica diseñada atómicamente como un transductor integrado a nanoescala para nuevos paradigmas de sistemas nanoelectromecánicos basados ​​en CMOS (CMOS-NEMS), con un impacto transformador en la generación de relojes, la detección física, el procesamiento espectral y la informática. aplicaciones", dijo a Phys.org Roozbeh Tabrizian, el investigador principal que dirigió el estudio. "Para todas estas aplicaciones, la eficacia del funcionamiento del NEMS depende esencialmente de la eficiencia del acoplamiento piezoeléctrico en la película de hafnia-zirconia".

Las películas de Hafnia-zirconia tienen una estructura policristalina compleja que consta de dominios con diferentes morfologías polares y no polares, cada uno de los cuales contribuye al acoplamiento electromecánico dependiendo de las condiciones de contorno eléctricas y mecánicas. Debido a esta intrincada estructura, los procesos físicos fundamentales que sustentan la piezoelectricidad en estos materiales siguen siendo poco conocidos, lo que dificulta la mejora de esta propiedad.

"Cuando nos centramos específicamente en el uso de películas de hafnia y circonio para crear resonadores de frecuencia ultra y súper alta, el acoplamiento piezoeléctrico de la película a frecuencias tan altas es una medida clave que establece el rendimiento e identifica su aplicabilidad para la creación de relojes y filtros", dijo Tabrizian. "Para responder a estas preguntas, decidimos desarrollar experimentos para desbloquear la evolución del acoplamiento piezoeléctrico en hafnia-zirconia durante el sondeo eléctrico".

Como parte de su trabajo reciente, Tabrizian y sus colegas intentaron utilizar enfoques de ingeniería de materiales para mejorar el acoplamiento piezoeléctrico (es decir, un efecto que implica una interacción entre la física mecánica y eléctrica) en superredes de hafnia-zirconia-alúmina. Finalmente, utilizaron el material que diseñaron para crear resonadores nanoelectromecánicos que podrían integrarse en varios dispositivos electrónicos basados ​​en CMOS.

"Nuestros resonadores nanoelectromecánicos de hafnia, circonio y alúmina tienen tres características únicas", dijo Tabrizian. "La primera es su compatibilidad inherente con CMOS y la disponibilidad de los materiales constituyentes en la parte frontal del proceso CMOS resalta un potencial transformador para la integración monolítica de ellos con circuitos de estado sólido. Esto permite la creación de relojes, filtros, sensores y computadoras mecánicas. que son órdenes de magnitud mayores en rendimiento y eficiencia energética y menores en tamaño y costo".

Una segunda ventaja de los resonadores creados por Tabrizian y sus colegas es que se pueden escalar fácilmente a frecuencias súper y extremadamente altas, ya que las películas de hafnia-zirconia en las que se basan se pueden reducir significativamente. En particular, cuando se redujeron a unos pocos nanómetros, las películas diseñadas por los investigadores conservaron su gran acoplamiento piezoeléctrico.

Como resultado, estas películas podrían usarse para crear muchos dispositivos diferentes integrados en CMOS, incluidos resonadores, relojes y filtros que funcionan a decenas de gigahercios. Estos sistemas integrados CMOS de alta frecuencia serán cruciales para desarrollar tecnologías de comunicación inalámbrica de próxima generación.

"En tercer y último lugar, beneficiándose del comportamiento ferroeléctrico, el acoplamiento piezoeléctrico en hafnia-zirconia se puede activar y desactivar mediante la aplicación temporal de un voltaje de CC", explicó Tabrizian. "Esto permite la creación de dispositivos de control de frecuencia que son intrínsecamente conmutables, lo que evita la necesidad de interruptores externos y su consumo de energía, pérdida y sobrecarga de espacio. Esto es crucial cuando se busca la extensión del sistema a una operación multifrecuencia y multibanda que requiere Configuración ágil dentro de una serie de resonadores con diferentes frecuencias."

El trabajo reciente de este equipo de investigadores mejora la comprensión actual de cómo evoluciona el acoplamiento piezoeléctrico en transductores de hafnia-zirconia, pasando del régimen cuadrático no lineal en películas depositadas al régimen lineal requerido para crear sistemas de control de frecuencia. Esta conmutación se produce espontáneamente cuando las películas de hafnia-zirconia diseñadas se exponen a suficientes ciclos de campo eléctrico.

"Nuestro estudio también destaca el potencial del uso de finas capas intermedias de alúmina dentro del transductor de hafnia-zirconia (es decir, crear la superred de hafnia-zirconia-alúmina) para mejorar el acoplamiento piezoeléctrico del transductor y mantener este acoplamiento incluso una vez que las películas se liberan del sustrato al forman membranas levitantes", dijo Tabrizian. "Con este conocimiento, arrojamos luz sobre el enfoque de fabricación para la creación de resonadores de hafnia-zirconia-alúmina de alto rendimiento que funcionan con un factor de alta calidad y acoplamiento en frecuencias ultra y súper altas".

Hasta ahora, Tabrizian y sus colegas han utilizado con éxito sus películas para desarrollar resonadores de alto rendimiento con una cobertura que abarca frecuencias de entre 0,2 y 20 GHz. Sin embargo, en sus próximos estudios planean explorar el potencial de las películas para crear otros componentes electrónicos, al mismo tiempo que integran y prueban los resonadores que crearon en varios microsistemas.

"Una dirección clave para nuestra investigación futura será la integración de los resonadores nanoelectromecánicos de hafnia, circonio y alúmina desarrollados en chips CMOS para crear el primer oscilador monolítico CMOS-NEMS de súper alta frecuencia", añadió Tabrizian. "Además, nos centraremos en la exploración de métodos para la estabilización de la temperatura de resonadores de hafnia-zirconia-alúmina a través de la ingeniería de materiales. Esto es esencial para la realización de osciladores estables para aplicaciones de generación de referencia de frecuencia y reloj".

Más información: Troy Tharpe et al, Resonadores nanoelectromecánicos para control de frecuencia de gigahercios basados ​​en superredes de hafnia-zirconia-alúmina, Nature Electronics (2023). DOI: 10.1038/s41928-023-00999-9

Mayur Ghatge et al, Un transductor nanoelectromecánico integrado ultrafino basado en óxido de hafnio y circonio, Nature Electronics (2019). DOI: 10.1038/s41928-019-0305-3

Información de la revista:Electrónica de la naturaleza

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