Résonateurs nanoélectromécaniques à base de hafnia

Jun 29, 2023

Article du 2 août 2023

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Les techniques d'ingénierie atomique récemment développées ont ouvert des opportunités passionnantes pour permettre le comportement ferroélectrique dans les diélectriques à k élevé, des matériaux qui ont une constante diélectrique élevée (c'est-à-dire kappa ou k) par rapport au silicium. Cela pourrait à son tour éclairer le développement d’une technologie CMOS plus avancée avec une gamme plus large de fonctions ou de propriétés.

Des chercheurs de l’Université de Floride ont récemment exploré le potentiel des matériaux à base d’hafnia et de zircone de conception atomique pour créer différents composants pour les systèmes électroniques. Dans un article récent de Nature Electronics, ils ont présenté de nouveaux résonateurs nanoélectromécaniques à large spectre, des composants électroniques capables de générer une fréquence de résonance, basés sur des super-réseaux hafnie-zircone-alumine.

"Mon groupe de recherche a été le pionnier dans l'exploration de l'hafnie-zircone ferroélectrique de conception atomique en tant que transducteur intégré à l'échelle nanométrique pour les nouveaux paradigmes de systèmes nanoélectromécaniques basés sur CMOS (CMOS-NEMS), avec un impact transformateur sur la génération d'horloge, la détection physique, le traitement spectral et l'informatique. applications", a déclaré à Phys.org Roozbeh Tabrizian, le chercheur principal qui a dirigé l'étude. "Pour toutes ces applications, l'efficacité du fonctionnement du NEMS dépend essentiellement de l'efficacité du couplage piézoélectrique dans le film hafnia-zircone."

Les films d'hafnie-zircone ont une structure polycristalline complexe constituée de domaines de différentes morphologies polaires et non polaires, chacune contribuant au couplage électromécanique en fonction des conditions aux limites électriques et mécaniques. En raison de cette structure complexe, les processus physiques fondamentaux qui sous-tendent la piézoélectricité dans ces matériaux restent mal compris, ce qui rend difficile l'amélioration de cette propriété.

"En ciblant spécifiquement l'utilisation de films hafnia-zircone pour créer des résonateurs à ultra et très haute fréquence, le couplage piézoélectrique du film à de telles fréquences est une mesure clé qui définit les performances et identifie leur applicabilité pour la création d'horloges et filtres", a déclaré Tabrizian. "Pour répondre à ces questions, nous avons décidé de développer des expériences pour découvrir l'évolution du couplage piézoélectrique dans l'hafnie-zircone lors d'une interrogation électrique."

Dans le cadre de leurs travaux récents, Tabrizian et ses collègues ont tenté d'utiliser des approches d'ingénierie des matériaux pour améliorer le couplage piézoélectrique (c'est-à-dire un effet qui implique une interaction entre la physique mécanique et électrique) dans les super-réseaux hafnie-zircone-alumine. Enfin, ils ont utilisé le matériau qu’ils ont conçu pour créer des résonateurs nanoélectromécaniques pouvant être intégrés dans divers dispositifs électroniques basés sur CMOS.

"Nos résonateurs nanoélectromécaniques en hafnie-zircone-alumine présentent trois caractéristiques uniques", a déclaré Tabrizian. "Le premier est leur compatibilité CMOS inhérente et la disponibilité des matériaux constitutifs en amont du processus CMOS met en évidence un potentiel de transformation pour leur intégration monolithique avec des circuits à semi-conducteurs. Cela permet la création d'horloges, de filtres, de capteurs et d'ordinateurs mécaniques. qui sont des ordres de grandeur supérieurs en termes de performances et d'efficacité énergétique et inférieurs en taille et en coût.

Un deuxième avantage des résonateurs créés par Tabrizian et ses collègues est qu'ils peuvent être facilement adaptés à des fréquences super et extrêmement élevées, car les films hafnia-zircone sur lesquels ils sont basés peuvent être considérablement réduits. Notamment, réduits à quelques nanomètres, les films conçus par les chercheurs ont conservé leur large couplage piézoélectrique.