ハフニアをベースとしたナノ電気機械共振器

Aug 18, 2023

2023 年 8 月 2 日の特集

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イングリッド・ファデリ著、Phys.org

新しく開発された原子工学技術は、シリコンと比較して高い誘電率（カッパまたはκ）を有する材料である高誘電率誘電体における強誘電体挙動を可能にする刺激的な機会を切り開いた。 これは、より幅広い機能や特性を備えた、より高度な CMOS ベースのテクノロジーの開発に役立つ可能性があります。

フロリダ大学の研究者らは最近、電子システム用のさまざまなコンポーネントを作成するための原子工学的ハフニアおよびジルコニアベースの材料の可能性を研究しています。 Nature Electronics の最近の論文で、ハフニア - ジルコニア - アルミナ超格子に基づいた、共振周波数を生成できる電子部品である新しい広スペクトル ナノ電気機械共振器を紹介しました。

「私の研究グループは、クロック生成、物理センシング、スペクトル処理、およびコンピューティングにおける変革的な影響を伴う、新しいCMOSベースのナノ電気機械システム（CMOS-NEMS）パラダイムのためのナノスケール統合トランスデューサとして原子工学的に作製された強誘電体ハフニア・ジルコニアを探索する先駆者です。 」とこの研究を主導した主任研究員ルーズベ・タブリアン氏はPhys.orgに語った。 「これらすべてのアプリケーションにおいて、NEMS 動作の有効性は基本的にハフニア - ジルコニア膜の圧電結合の効率によって決まります。」

ハフニア・ジルコニア膜は、異なる極性および無極性形態のドメインで構成される複雑な多結晶構造を持ち、それぞれが電気的および機械的境界条件に応じて電気機械結合に寄与します。 この複雑な構造のため、これらの材料の圧電性を支える基本的な物理プロセスはまだほとんど理解されていないため、この特性を高めることが困難になっています。

「超高周波および超高周波共振器を作成するためにハフニア・ジルコニア・フィルムの使用を特にターゲットとする場合、そのような高周波におけるフィルムの圧電結合は、性能を設定し、時計や時計の作成への適用性を確認する重要な尺度になります。フィルターです」とタブリアン氏は語った。 「これらの疑問に答えるために、私たちは電気ポーリング中のハフニア - ジルコニアの圧電結合の進化を解明する実験を開発することにしました。」

最近の研究の一環として、タブリアンと彼の同僚は、材料工学的アプローチを使用して、ハフニア-ジルコニア-アルミナ超格子における圧電結合（つまり、機械物理と電気物理の間の相互作用を伴う効果）を強化しようとしました。 最後に、彼らは、さまざまな CMOS ベースの電子デバイスに統合できるナノ電気機械共振器を作成するために設計した材料を使用しました。

「当社のハフニア-ジルコニア-アルミナナノ電気機械共振器には、3つのユニークな特徴があります」とタブリアン氏は語った。 「1 つ目は、CMOS の固有の互換性であり、CMOS プロセスのフロントエンドで構成材料が利用できることは、それらとソリッドステート回路とのモノリシック統合の変革の可能性を浮き彫りにします。これにより、クロック、フィルター、センサー、および機械式コンピューターの作成が可能になります。」パフォーマンスと電力効率が桁違いに高く、サイズとコストが低くなります。」

Tabrizian 氏らによって作成された共振器の 2 つ目の利点は、基になっているハフニア - ジルコニア フィルムを大幅に縮小できるため、超高周波数および超高周波数まで簡単に拡張できることです。 注目すべき点は、数ナノメートルにスケールダウンしても、研究者らによって設計された膜は大きな圧電結合を保持していたことです。