随着电子设备的收缩，对片上高性能功能的需求也在增加，比如单向波导(隔离器)、滤波器和延迟线，特别是那些具有关键参数、可以在芯片上控制的功能。从那种苏黎世和加州理工学院的一组研究人员使用合成物(罪)nanomembranes运行在高频率(10 - 20 MHz)作为声子的管道,acoustic-like波穿过固体或液体物质建立这类设备(情况大致类似于声表面波,或看到,设备)。纳米机电超材料(NEMM)包括电压控制的频率调谐的单个谐振器。
他们制作并测试了在一个单元电池中有六个晶格点的高频“拓扑”绝缘体。纳米机电晶格(NEML)设计在扩展的蜂窝晶格中周期性地蚀刻直径为500 nm的孔洞，并绝缘富硅氮化硅(SiNx)膜(平均厚度为~79 nm)，形成具有周期性弯曲边界的声子晶体(图1)．
1.非线性NEML的扫描电子显微镜图像:同时通过偏置三通向激励电极施加Vdc和Vac电压，静电触发弯曲运动，而VT是施加在调谐电极上的调谐门电压，以激活现场静电势(比例尺为10 μm)。(来源:加州理工学院)
相邻的膜重叠形成机械耦合。通过改变蚀刻孔之间的距离，研究人员能够控制晶格耦合的数量。他们的工作是理论上的，从离散的质量-弹簧模型和每个单元上的许多力开始(图2)．然后他们继续深入、深入地分析晶格的机电和相关特性，以及它的响应。最后，他们通过制造和评估几个器件，超越了理论及其假定的性能。
2.如图所示为解析计算频率色散的NEML离散元模型。在(a)的顶部是假彩色扫描电子显微镜图像，显示三个单元细胞与沉积电极;在底部是用来解决动力学模型的质量-弹簧系统的原理图。半单元格(b)的特写视图显示了由刚性杆连接的两个旋转弹簧和弹性基础，显示了所有相关的参数和自由度。(来源:加州理工学院)
通过施加直流栅极电压VT为了创造一个电压相关的电场，他们能够显著改变设备的频带(图三、图四)．
3.120单元格的频率响应。上面板显示无电极装置的响应，下面板显示有电极装置的响应;阴影区域表示频率抑制带。(来源:加州理工学院)
4.带隙中心的位置和大小作为V的函数T(左)。红色和蓝色的方块(点)分别显示带隙中心和带隙频率的实验(数值)数据。平均Q(质量)因子作为V的函数T(右)。Q是通过f的平均来计算的0/Δf为不同V值时频谱中各峰T；f0和Δf分别为一个共振峰的中心频率和半最大值处的全宽，误差条表示每个V的共振峰的标准差T．(来源:加州理工学院)
理想的是一个物理通道被用作波导是稳定的和无缺陷的可靠的，一致的性能。然而，他们注意到，在高频机械系统中，如这些微尺度声子器件，由于反向散射和损耗，能量传输对缺陷和急转弯特别敏感。
由于实际的设备并不完美，他们还研究了在沉积过程中可能发生的制造误差的影响。在这种情况下，薄膜厚度的不均匀性导致了许多动力学方程中使用的质量矩阵参数的无序。
设计的另一个有趣的特点是它的坚固性与波导的缺陷，如尖角。为了研究这一点，他们还制作了一个带有60⁰尖锐角的锯齿形波导。他们的测试结果表明，能量传输从这些角落有微不足道的后向散射。
研究人员坚持认为，他们已经明确地证明了纳米机电超材料可以制造出稳定而可控的基于超声波的射频信号处理元件。他们发表的极其详细的论文(如下所列)提供了对分子和晶格物理、器件的制造过程、模拟结果和实际测量数据的全面分析。这项研究由美国国家科学基金会、IBM苏黎世研究中心的宾尼格和罗勒纳米技术中心以及加州理工学院的卡维里纳米科学研究所提供支持。
参考文献
- 自然纳米技术， Cha Jinwoong和Chiara Daraio，”弹性波在纳米力学晶格中传播的电调谐”
- 自然纳米技术， Cha Jinwoong和Chiara Daraio，”补充信息"致主要报纸
- 自然、车振雄、金建宇和基娅拉·达拉奥，”片上拓扑纳米机电超材料的实验实现”
