Excitação além de 5 GHz de um ZnO

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13329 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Este trabalho relata a fabricação e caracterização de um ressonador acústico em massa de alto tom (HBAR) baseado em Au / ZnO / Pt em substratos de SiC. Avaliamos suas características de micro-ondas comparando com substratos de Si para aplicações microeletromecânicas. A pulverização catódica dielétrica de magnetron e um evaporador de feixe de elétrons são empregados para desenvolver filmes de ZnO e eletrodos metálicos altamente orientados ao eixo C. A estrutura cristalina e a morfologia da superfície das camadas pós-crescimento são caracterizadas por difração de raios X, microscopia de força atômica e técnicas de microscopia eletrônica de varredura. O HBAR no substrato SiC resulta em múltiplas ressonâncias de ondas acústicas longitudinais de até 7 GHz, com as ressonâncias excitadas mais fortes emergindo em 5,25 GHz. O valor do parâmetro fQ (frequência de ressonância. Fator de qualidade) obtido usando um novo método de abordagem Q para HBAR em substrato de SiC é 4,1 \(\times\) 10\(^{13}\) Hz, que até onde sabemos , é o mais alto entre todos os valores relatados para dispositivos específicos baseados em ZnO.

Ressonadores de ondas acústicas em massa (BAW) de alto desempenho têm recebido muita atenção nas últimas décadas devido ao seu uso potencial como fontes, sensores, filtros e atuadores de radiofrequência (RF).1,2 Ressonador de cristal de quartzo (QCR ), que normalmente opera na faixa de vários MHz a dezenas de MHz, é um tipo comum de ressonador BAW. Outro tipo de ressonador BAW é o High Overtone Bulk Acoustic Resonator (HBAR), também conhecido como ressonador composto composto por uma camada piezoelétrica imprensada entre dois eletrodos metálicos em um substrato de baixa perda acústica.3,4 Com uma estrutura simples, mas robusta, com tamanho compacto e um fator de qualidade (Q) impressionantemente alto, o HBAR tem a capacidade de demonstrar ressonâncias altamente agudas (f) em frequências de GHz e superiores às do QCR. Devido a essas propriedades, o HBAR emergiu como um candidato viável para uso em osciladores de baixo ruído, sensores e fontes de fônons em sistemas de dinâmica acústica quântica.5,6,7,8 Recentemente, houve um crescimento notável no interesse no desenvolvimento de sensores físicos, químicos e biológicos inteligentes altamente sensíveis baseados em ressonadores acústicos para detecção não invasiva em aplicações em tempo real sem utilizar quaisquer reagentes/produtos químicos externos. O princípio de funcionamento aqui é integrar um elemento biológico/químico com o transdutor físico do dispositivo acústico, uma vez que é sensível à força da ligação química atômica, iônica ou molecular na faixa de frequência de micro-ondas.9,10 Portanto, o HBAR pode ser amplamente utilizado. empregado para analisar uma ampla gama de pequenos volumes de materiais fluídicos, incluindo fluidos fisiológicos humanos, e é adequado para sistemas Lab-on-a-Chip (LoC).11,12,13,14

Normalmente, os filmes de titanato de zirconato de chumbo (PZT), nitreto de gálio (GaN), nitreto de alumínio (AlN) e óxido de zinco (ZnO) foram submetidos a pesquisas exaustivas para dispositivos acústicos.15,16,17,18 O PZT oferece uma variedade distinta de recursos. , incluindo uma constante piezoelétrica muito alta e um valor de acoplamento eletromecânico efetivo (\(k_{eff}^2\)). No entanto, não é adequado para aplicações HBAR devido às suas velocidades acústicas mais baixas, maior atenuação das ondas acústicas e desafios na preparação de filmes finos.1,11 Os filmes de GaN são substancialmente menos prevalentes devido às suas pobres propriedades piezoelétricas e baixo \(k_{eff } ^ 2 \).19 Embora os filmes de AlN possuam alta velocidade acústica em comparação com os filmes de ZnO, ele novamente sofre de um valor baixo de \(k_{eff}^2\).19 Entre os numerosos materiais piezoelétricos descritos acima, os filmes de ZnO com características eletroacústicas aprimoradas foram consideradas as mais promissoras para o desenvolvimento de dispositivos HBAR. No entanto, conforme relatado na literatura, os dispositivos HBAR com camada piezoelétrica de ZnO têm sido restritos principalmente a substratos de safira com um valor de produto fQ de cerca de 4,8 \(\times\) 10\(^{13}\) Hz usando o método Q de Lakin. 4,20,21 Além disso, o HBAR baseado em ZnO foi previamente demonstrado em substrato de quartzo e diamante; no entanto, eles exibem um valor fQ mais baixo de cerca de 1,1 e 0,2 \(\times\) 10\(^{13}\) Hz, respectivamente.4,22 Além do substrato acima, o carboneto de silício (SiC) também é conhecido como a baixa perda acústica (0,4 dB/cm @ 1 GHz) e o substrato de alta velocidade acústica quando comparado aos substratos de safira e diamante, tornando-o adequado para dispositivos HBAR e convenientemente compatível com processos de microusinagem de superfície.8,22,23,24 Além disso, O SiC é frequentemente usado em dispositivos eletrônicos de alta temperatura e alta potência devido à sua alta dureza, alta condutividade térmica, resistência química e assim por diante. Os substratos de SiC também desempenham um papel vital na nova geração de sensores e sistemas quânticos híbridos, uma vez que geram alta tensão nas frequências de GHz do que outros substratos.22 É, portanto, imperativo e pertinente investigar as propriedades ressonantes de microondas do HBAR baseado em ZnO. em substratos de SiC.