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低能耗,!金剛石MEMS新進展!


來源:中國粉體網(wǎng)   輕言

[導讀]  日本國立物質材料研究所廖梅勇研究團隊在實現(xiàn)超高品質因子單晶金剛石微機電系統(tǒng)方面取得了重要進展。

中國粉體網(wǎng)訊  近日,,日本國立物質材料研究所廖梅勇主席研究員團隊的AMR述評文章“Low-Energy Dissipation Diamond MEMS”在線發(fā)表,。文章基于其實驗室開發(fā)的“智能剪切”法所制備的器件,,概述了實現(xiàn)超高品質因子單晶金剛石微機電系統(tǒng)的最新研究進展與策略。這些策略代表著推動金剛石MEMS諧振子性能提升與應用擴展的關鍵技術,。


微機電系統(tǒng)(MEMS)因其高靈敏度,、可批量生產(chǎn)、低功耗和易集成等優(yōu)勢,,在過去三十年得到迅速發(fā)展,。MEMS廣泛應用于各領域,從汽車安全中的加速度計和陀螺儀,,到消費電子中的精密參考振蕩器,,再到原子力顯微鏡探針和引力波探測傳感器。品質因子(Quality Factor, Q)是MEMS諧振子的基本參數(shù),,決定了器件的靈敏度,、噪聲水平、能耗效率和穩(wěn)定性,。盡管傳統(tǒng)半導體硅基MEMS由于其成熟的微電子技術,,已經(jīng)取得了卓越的進步,但其固有材料特性限制了靈敏度,、穩(wěn)定性和可靠性,,尤其是在極端條件下的應用。


低能量耗散的MEMS,, 一直是人們的追求,。


金剛石MEMS


單晶金剛石(SCD)憑借其優(yōu)異的材料特性,例如極高的機械強度,、卓越的電學性能,、最高的熱導率和化學惰性,已成為制備高靈敏度和高可靠性MEMS的理想材料,。因此,,金剛石MEMS表現(xiàn)出高品質因子、高可靠性,、低熱機械力噪聲和長機械量子態(tài)相干時間,,不僅能提升MEMS器件性能,還能擴展至量子領域,。此外,,SCD不存在晶界和其他碳相,是實現(xiàn)超低能量損耗(或超高品質因子)MEMS諧振子的最優(yōu)選擇,。然而,,SCD微加工非常困難,而且在異質襯底上進行SCD的外延生長仍然具有挑戰(zhàn)性。


高品質SCD M/NEMS的制備及應用


SCD MEMS 策略


文章提出了三種提升金剛石諧振子品質因子的策略,。一是在離子注入襯底上生長高晶體質量的SCD外延層,;二是超高真空退火減少晶體缺陷,以及原子層級氧刻蝕消除缺陷層的缺陷工程,;三是通過將諧振器減薄至約100nm厚度的應變工程,。


金剛石MEMS的能量耗散機制及品質因子增強策略


在“智能剪切”法中,約100nm厚的缺陷層是主要的本征能量損耗來源,。通過在缺陷層之上生長高晶體質量的金剛石外延層,,并對缺陷層進行原子尺度的刻蝕,品質因子可以從幾千提高到超過一百萬(室溫下),,這是所有半導體材料中最高的,。SCD MEMS的高品質因子還得益于外延層的純度控制以及金剛石的超寬禁帶。通過對SCD MEMS進行納米尺度的應變工程,,品質因子有望得到進一步增強,。這些策略代表了推動金剛石MEMS諧振子性能提升與應用擴展的關鍵技術。


未來與發(fā)展


新一代半導體-金剛石,,具有5.5eV的超寬帶隙,被稱為終極半導體,,是當前國際材料科學研究的前沿和熱點之一,。單晶金剛石由于其無與倫比的材料特性,具有理論最高共振頻率和最高品質因子,,確保了制備器件的靈敏度,、可靠性和響應速度,成為克服傳統(tǒng)半導體基MEMS本征缺陷的理想材料,。


納米尺度的納機電系統(tǒng)(NEMS由于其更小的尺寸,、更輕的質量和更低的功耗,能夠提供比微米級MEMS更高的集成度,、靈敏度和探測率,。然而,當器件尺寸進入納米尺度時,,傳統(tǒng)半導體基NEMS會出現(xiàn)表面能量損耗高和熱穩(wěn)定性差等問題,,限制其靈敏度和可靠性,給實際應用帶來難題,。SCD由于具有最高機械強度和楊氏模量,,無固態(tài)氧化層,能夠提供最高共振頻率和品質因子,,從而能夠克服這些問題,,為開發(fā)面向高頻率、高精度和極端環(huán)境下應用的高靈敏度和高可靠性NEMS傳感器提供了重要基礎。


未來,,高品質因子SCD NEMS諧振器件將在量子傳感和5G通信等關鍵領域展現(xiàn)出巨大潛力和應用價值,。


參考來源:

1.ACS材料X

2.Guo Chen.Low-Energy Dissipation Diamond MEMS


(中國粉體網(wǎng)編輯整理/輕言)

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