中國粉體網(wǎng)訊 近日，日本國立物質(zhì)材料研究所廖梅勇主席研究員團(tuán)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(zhì)因子單晶金剛石微機(jī)電系統(tǒng)的最新研究進(jìn)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(yīng)用擴(kuò)展的關(guān)鍵技術(shù)。
微機(jī)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(yīng)用于各領(lǐng)域，從汽車安全中的加速度計和陀螺儀，到消費(fèi)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(zhì)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(dǎo)體硅基MEMS由于其成熟的微電子技術(shù)，已經(jīng)取得了卓越的進(jìn)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(yīng)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(jī)械強(qiáng)度、卓越的電學(xué)性能、最高的熱導(dǎo)率和化學(xué)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(zhì)因子、高可靠性、低熱機(jī)械力噪聲和長機(jī)械量子態(tài)相干時間，不僅能提升MEMS器件性能，還能擴(kuò)展至量子領(lǐng)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(zhì)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(zhì)襯底上進(jìn)行SCD的外延生長仍然具有挑戰(zhàn)性。
高品質(zhì)SCD M/NEMS的制備及應(yīng)用
SCD MEMS 策略
文章提出了三種提升金剛石諧振子品質(zhì)因子的策略。一是在離子注入襯底上生長高晶體質(zhì)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(yīng)變工程。
金剛石MEMS的能量耗散機(jī)制及品質(zhì)因子增強(qiáng)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(zhì)量的金剛石外延層，并對缺陷層進(jìn)行原子尺度的刻蝕，品質(zhì)因子可以從幾千提高到超過一百萬（室溫下），這是所有半導(dǎo)體材料中最高的。SCD MEMS的高品質(zhì)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(jìn)行納米尺度的應(yīng)變工程，品質(zhì)因子有望得到進(jìn)一步增強(qiáng)。這些策略代表了推動金剛石MEMS諧振子性能提升與應(yīng)用擴(kuò)展的關(guān)鍵技術(shù)。
未來與發(fā)展
新一代半導(dǎo)體-金剛石，具有5.5eV的超寬帶隙，被稱為終極半導(dǎo)體，是當(dāng)前國際材料科學(xué)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(zhì)因子，確保了制備器件的靈敏度、可靠性和響應(yīng)速度，成為克服傳統(tǒng)半導(dǎo)體基MEMS本征缺陷的理想材料。
納米尺度的納機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）由于其更小的尺寸、更輕的質(zhì)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(dāng)器件尺寸進(jìn)入納米尺度時，傳統(tǒng)半導(dǎo)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(yīng)用帶來難題。SCD由于具有最高機(jī)械強(qiáng)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(zhì)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(yīng)用的高靈敏度和高可靠性NEMS傳感器提供了重要基礎(chǔ)。
未來，高品質(zhì)因子SCD NEMS諧振器件將在量子傳感和5G通信等關(guān)鍵領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力和應(yīng)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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