Risonatori nanoelettromeccanici basati sull'afnia

Jun 29, 2023

Funzionalità del 2 agosto 2023

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

Le nuove tecniche di ingegneria atomica hanno aperto interessanti opportunità per consentire il comportamento ferroelettrico nei dielettrici ad alto k, materiali che hanno un'elevata costante dielettrica (cioè kappa o k) rispetto al silicio. Ciò potrebbe a sua volta favorire lo sviluppo di una tecnologia più avanzata basata su CMOS con una gamma più ampia di funzioni o proprietà.

I ricercatori dell’Università della Florida hanno recentemente esplorato il potenziale dei materiali a base di afnia e zirconio ingegnerizzati atomicamente per la creazione di diversi componenti per sistemi elettronici. In un recente articolo di Nature Electronics, hanno introdotto nuovi risonatori nanoelettromeccanici ad ampio spettro, componenti elettronici in grado di generare una frequenza di risonanza, basati su superreticoli di afnia-zirconia-allumina.

"Il mio gruppo di ricerca è stato il pioniere nell'esplorazione dell'afnia-zirconio ferroelettrico ingegnerizzato atomicamente come trasduttore integrato su scala nanometrica per nuovi paradigmi di sistemi nanoelettromeccanici basati su CMOS (CMOS-NEMS), con impatto trasformante nella generazione di orologi, rilevamento fisico, elaborazione spettrale e calcolo applicazioni", ha detto a Phys.org Roozbeh Tabrizian, il ricercatore principale che ha condotto lo studio. "Per tutte queste applicazioni, l'efficacia del funzionamento NEMS è essenzialmente determinata dall'efficienza dell'accoppiamento piezoelettrico nella pellicola di afnia-zirconio."

I film di afnia-zirconia hanno una struttura policristallina complessa costituita da domini con diverse morfologie polari e non polari, ciascuna delle quali contribuisce all'accoppiamento elettromeccanico in base alle condizioni al contorno elettriche e meccaniche. A causa di questa struttura complessa, i processi fisici fondamentali alla base della piezoelettricità in questi materiali rimangono poco compresi, il che rende difficile il miglioramento di questa proprietà.

"Quando si mira specificamente all'uso di pellicole di afnia-zirconio per creare risonatori a frequenza ultra e altissima, l'accoppiamento piezoelettrico della pellicola a frequenze così elevate è una misura chiave che definisce le prestazioni e identifica la loro applicabilità per la creazione di orologi e filtri", ha detto Tabrizian. "Per rispondere a queste domande, abbiamo deciso di sviluppare esperimenti per sbloccare l'evoluzione dell'accoppiamento piezoelettrico nell'afnia-zirconia durante il polling elettrico."

Nell'ambito del loro recente lavoro, Tabrizian e i suoi colleghi hanno cercato di utilizzare approcci di ingegneria dei materiali per migliorare l'accoppiamento piezoelettrico (cioè un effetto che comporta un'interazione tra fisica meccanica ed elettrica) nei superreticoli di afnia-zirconia-allumina. Infine, hanno utilizzato il materiale da loro ingegnerizzato per creare risonatori nanoelettromeccanici che potrebbero essere integrati in vari dispositivi elettronici basati su CMOS.

"I nostri risonatori nanoelettromeccanici afnia-zirconia-allumina hanno tre caratteristiche uniche", ha affermato Tabrizian. "Il primo è la loro intrinseca compatibilità CMOS e la disponibilità di materiali costituenti nella parte front-end del processo CMOS evidenzia un potenziale di trasformazione per l'integrazione monolitica degli stessi con circuiti a stato solido. Ciò consente la creazione di orologi, filtri, sensori e computer meccanici che sono ordini di grandezza superiori in termini di prestazioni ed efficienza energetica e inferiori in termini di dimensioni e costi."

Un secondo vantaggio dei risonatori creati da Tabrizian e dai suoi colleghi è che possono essere facilmente adattati a frequenze super ed estremamente elevate, poiché i film di afnia-zirconia su cui sono basati possono essere ridotti in modo significativo. In particolare, quando ridotti a pochi nanometri, i film progettati dai ricercatori hanno mantenuto il loro grande accoppiamento piezoelettrico.