Ressonadores nanoeletromecânicos baseados em hafnia

Aug 18, 2023

Recurso de 2 de agosto de 2023

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

Técnicas de engenharia atômica recentemente desenvolvidas abriram oportunidades interessantes para permitir o comportamento ferroelétrico em dielétricos de alto k, materiais que possuem uma constante dielétrica alta (ou seja, kappa ou k) em comparação com o silício. Isto, por sua vez, poderia informar o desenvolvimento de tecnologia mais avançada baseada em CMOS, com uma gama mais ampla de funções ou propriedades.

Pesquisadores da Universidade da Flórida exploraram recentemente o potencial de materiais à base de háfnia e zircônia projetados atomicamente para a criação de diferentes componentes para sistemas eletrônicos. Em um artigo recente da Nature Electronics, eles introduziram novos ressonadores nanoeletromecânicos de amplo espectro, componentes eletrônicos que podem gerar uma frequência ressonante, baseados em superredes de háfnia-zircônia-alumina.

"Meu grupo de pesquisa foi pioneiro na exploração de hafnia-zircônia ferroelétrica de engenharia atômica como um transdutor integrado em nanoescala para novos paradigmas de sistemas nanoeletromecânicos baseados em CMOS (CMOS-NEMS), com impacto transformador na geração de relógio, detecção física, processamento espectral e computação aplicações", disse Roozbeh Tabrizian, o investigador principal que liderou o estudo, ao Phys.org. "Para todas essas aplicações, a eficácia da operação NEMS é essencialmente definida pela eficiência do acoplamento piezoelétrico no filme háfnia-zircônia."

Os filmes de Hafnia-zircônia possuem uma estrutura policristalina complexa que consiste em domínios com diferentes morfologias polares e apolares, cada um dos quais contribui para o acoplamento eletromecânico dependendo das condições de contorno elétricas e mecânicas. Devido a esta estrutura intrincada, os processos físicos fundamentais que sustentam a piezoeletricidade nestes materiais permanecem pouco compreendidos, o que torna o aprimoramento desta propriedade um desafio.

"Ao visar especificamente o uso de filmes de háfnia-zircônia para criar ressonadores de frequência ultra e super-alta, o acoplamento piezoelétrico do filme em frequências tão altas é uma medida chave que define o desempenho e identifica sua aplicabilidade para a criação de relógios e filtros", disse Tabrizian. "Para responder a essas questões, decidimos desenvolver experimentos para desvendar a evolução do acoplamento piezoelétrico em háfnia-zircônia durante a pesquisa elétrica."

Como parte de seu trabalho recente, Tabrizian e seus colegas tentaram usar abordagens de engenharia de materiais para melhorar o acoplamento piezoelétrico (isto é, um efeito que envolve uma interação entre física mecânica e elétrica) em superredes de háfnia-zircônia-alumina. Finalmente, eles usaram o material que desenvolveram para criar ressonadores nanoeletromecânicos que poderiam ser integrados em vários dispositivos eletrônicos baseados em CMOS.

"Nossos ressonadores nanoeletromecânicos de háfnia-zircônia-alumina têm três características únicas", disse Tabrizian. "A primeira é a compatibilidade CMOS inerente e a disponibilidade de materiais constituintes no front-end do processo CMOS destaca um potencial transformador para integração monolítica deles com circuitos de estado sólido. Isso permite a criação de relógios, filtros, sensores e computadores mecânicos que são ordens de magnitude superiores em desempenho e eficiência energética e inferiores em tamanho e custo."

Uma segunda vantagem dos ressonadores criados por Tabrizian e seus colegas é que eles podem ser facilmente dimensionados para frequências super e extremamente altas, já que os filmes de háfnia-zircônia nos quais se baseiam podem ser reduzidos significativamente. Notavelmente, quando reduzidos para alguns nanômetros, os filmes desenvolvidos pelos pesquisadores mantiveram seu grande acoplamento piezoelétrico.