金剛石|俄羅斯MIPT研制出金剛石MEMS諧振器，創(chuàng)造新世界紀(jì)錄

俄羅斯莫斯科物理技術(shù)學(xué)院（MIPT）超硬度和新型碳材料技術(shù)研究所（TISNCM）聯(lián)合西伯利亞聯(lián)邦大學(xué)，通過(guò)在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）諧振器中采用金剛石單晶體作襯底，速度超過(guò)20GHz，品質(zhì)因數(shù)（Q）超過(guò)2000，創(chuàng)造微波領(lǐng)域的一項(xiàng)新世界記錄。

理論依據(jù)
MIPT發(fā)現(xiàn)，在金剛石中的能量衰減在1GHz之后呈線性頻率依賴關(guān)系，而在其他晶體中則呈現(xiàn)平方依賴關(guān)系。即意味著，與其他晶體相比，1GHz之后金剛石中的能量損失緩慢增長(zhǎng)，因此金剛石是一個(gè)適用于高頻電子的理想襯底。

技術(shù)細(xì)節(jié)
據(jù)MIPT的研究人員表示，其他高性能表面和體聲波（SAW/BAW）諧振器的研究采用的是生長(zhǎng)速率較慢的化學(xué)氣相淀積（CVD）工藝。帶來(lái)的結(jié)果是，金剛石形成薄膜的過(guò)程冗長(zhǎng)；內(nèi)部存在多個(gè)不平衡的應(yīng)力；器件頻率不超過(guò)10GHz，品質(zhì)因數(shù)也較低。

MIPT研究出了高壓高溫（HPHT）淀積工藝，通過(guò)精細(xì)調(diào)整該工藝，可以更快的速度生長(zhǎng)出幾乎由純碳合成的單晶體金剛石，具備更完美的晶格屬性，內(nèi)部應(yīng)力也最?。唤又ㄟ^(guò)采用兩層金屬（鋁和鉬）+壓電材料的三明治襯底結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高頻率和品質(zhì)因數(shù)；最后通過(guò)調(diào)整金剛石基器件的所有參數(shù)，如厚度、寬度、電極材料等，可使器件工作在數(shù)十GHz，同時(shí)保持較高的品質(zhì)因數(shù)。

性能驗(yàn)證
MIPT所研究的高泛音體聲諧振器中，所有參數(shù)都主要由襯底材料所決定。使用HPHT金剛石代替石英、甚至CVD金剛石，可使器件有更高頻率、具有更高品質(zhì)因數(shù)和更少的內(nèi)部損失。在此前的試驗(yàn)中，MIPT已經(jīng)研制出了多個(gè)基于金剛石襯底的MEMS諧振器，驗(yàn)證其工作頻率超過(guò)20GHz。

意義
此次研制出的高性能MEMS諧振器不僅可用于產(chǎn)生高速時(shí)鐘信號(hào)，還可作為生物傳感用超靈敏SAW/BAW諧振器，能夠檢測(cè)附近單個(gè)細(xì)菌和其他納米量級(jí)的毒性藥劑。

下一步工作
在達(dá)到現(xiàn)有工作速度的同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)注意到在主泛音區(qū)存在一些假的尖峰，研究人員目前將其解釋和分類為L(zhǎng)amb形波（在平面表面?zhèn)鞑サ膹椓Σǎ┖腕w波，如下圖所示。下一步，研究人員計(jì)劃充分利用新型鋁-scan-dium-氮壓電薄膜，以壓制Lamb波所帶來(lái)的偽峰。