하프니아 기반 나노전기기계 공진기

Aug 18, 2023

2023년 8월 2일 특집

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잉그리드 파델리(Ingrid Fadelli), Phys.org

새로 개발된 원자 공학 기술은 실리콘에 비해 높은 유전 상수(즉, 카파 또는 k)를 갖는 물질인 고유전율 유전체에서 강유전성 거동을 가능하게 하는 흥미로운 기회를 열었습니다. 이는 더 넓은 범위의 기능이나 속성을 갖춘 더욱 발전된 CMOS 기반 기술의 개발을 알릴 수 있습니다.

플로리다 대학의 연구원들은 최근 전자 시스템을 위한 다양한 구성 요소를 만들기 위해 원자 공학적으로 설계된 하프니아 및 지르코니아 기반 재료의 잠재력을 탐구해 왔습니다. 최근 Nature Electronics 논문에서 그들은 하프니아-지르코니아-알루미나 초격자를 기반으로 공진 주파수를 생성할 수 있는 전자 부품인 새로운 광역 스펙트럼 나노전기기계 공진기를 소개했습니다.

"저의 연구 그룹은 클록 생성, 물리적 감지, 스펙트럼 처리 및 컴퓨팅에 영향을 미치면서 새로운 CMOS 기반 나노전자기계 시스템(CMOS-NEMS) 패러다임을 위한 나노규모 통합 변환기로서 원자 공학적으로 제작된 강유전성 하프니아-지르코니아를 탐구하는 선구자였습니다. 연구를 주도한 수석 연구원인 Roozbeh Tabrizian은 Phys.org에 말했습니다. "이러한 모든 응용 분야에서 NEMS 작동의 효율성은 본질적으로 하프니아-지르코니아 필름의 압전 결합 효율성에 의해 설정됩니다."

하프니아-지르코니아 필름은 서로 다른 극성 및 비극성 형태를 갖는 도메인으로 구성된 복잡한 다결정 구조를 가지고 있으며, 각 도메인은 전기적 및 기계적 경계 조건에 따라 전기 기계적 결합에 기여합니다. 이러한 복잡한 구조로 인해 이러한 재료의 압전성을 뒷받침하는 기본적인 물리적 프로세스는 제대로 이해되지 않아 이 특성을 향상시키는 것이 어렵습니다.

"초고주파 및 초고주파 공진기를 만들기 위해 하프니아-지르코니아 필름을 사용하는 것을 구체적으로 목표로 삼을 때 이러한 고주파수에서 필름의 압전 결합은 성능을 설정하고 시계 생성에 대한 적용 가능성을 식별하는 핵심 척도입니다. 필터를 사용합니다."라고 Tabrizian은 말했습니다. "이러한 질문에 답하기 위해 우리는 전기 폴링 중에 하프니아-지르코니아에서 압전 결합의 진화를 밝히는 실험을 개발하기로 결정했습니다."

최근 연구의 일환으로 Tabrizian과 그의 동료들은 하프니아-지르코니아-알루미나 초격자에서 압전 결합(즉, 기계 물리학과 전기 물리학 사이의 상호 작용을 수반하는 효과)을 향상시키기 위해 재료 공학 접근법을 사용하려고 했습니다. 마지막으로 그들은 다양한 CMOS 기반 전자 장치에 통합될 수 있는 나노전기기계 공진기를 만들기 위해 자신들이 설계한 재료를 사용했습니다.

"우리의 하프니아-지르코니아-알루미나 나노전기기계 공진기는 세 가지 독특한 특징을 가지고 있습니다"라고 Tabrizian은 말했습니다. "첫 번째는 고유한 CMOS 호환성이며 CMOS 프로세스의 프런트 엔드에서 구성 재료의 가용성은 솔리드 스테이트 회로와 모놀리식 통합을 위한 변형 가능성을 강조합니다. 이를 통해 시계, 필터, 센서 및 기계식 컴퓨터를 만들 수 있습니다. 성능과 전력 효율성은 훨씬 더 높고 크기와 비용은 더 낮습니다."

Tabrizian과 그의 동료들이 만든 공진기의 두 번째 장점은 기반이 되는 하프니아-지르코니아 필름이 크게 줄어들 수 있기 때문에 초고주파 및 극고주파로 쉽게 확장할 수 있다는 것입니다. 특히, 연구진이 제작한 필름은 수 나노미터로 축소되었을 때 큰 압전 결합을 유지했습니다.