The membrane resonator
Группа исследователей из Западного резервного университета Кейза (Case Western Reserve University), Кливленд, наложив поверх впадин в поверхности основания чипа слои полупроводникового материала одноатомной толщины, создали новый тип мембранного резонатора, который условно можно считать самым маленьким батутом в мире на сегодняшний день. Подобные устройства, хотя и гораздо больших размеров, используются достаточно широко в составе различных микроэлектромеханических систем, усилителей, генераторов опорных частот для отсчета промежутков времени и передатчиков с изменяемой частотой.
Структура нового мембранного генератора изготовлена из дисульфида молибдена (молибденита, MoS2) и так называемого черного фосфора, который является одной из форм этого вещества, имеющей определенное строение кристаллической решетки. В результате этого листы композитного материала имеют волнистую форму подобно листам шифера, а уникальные электронные свойства этого материала делают его перспективным материалом для изготовления плоских двухмерных электронных устройств.
“Наш мембранный резонатор является далеко не первым подобным устройством. Ученые уже изготавливали такие резонаторы, используя в качестве материала нитрид кремния, карбид кремния, алмаз и графен” – рассказывает Филип Фенг (Philip Feng), профессор электротехники и информатики, под руководством которого проводились данные исследования, – “Но наш резонатор является первым, мембрана которого изготовлена из плоского двухмерного материала, являющегося полупроводником. Ведь даже у графена, который использовался в качестве мембран ранее, нет запрещенной электронной зоны, этот материал в его естественном виде является проводником”.
Структура мембранного резонатора
Плоские двухмерные материалы, которые обладают способностью к большей деформации, могут использоваться в резонаторах, работающих в более широких диапазонах частот, нежели классические кристаллические резонаторы, изготавливаемые обычно из кремния и алмаза.
“Новый материал, в свою очередь, придает резонатору новые возможности и новые функции” – рассказывает Филип Фенг, – “И самым интересным является то, что механическая деформация пленки из двухмерного материала влияет на ширину его запрещенной зоны, количество энергии, которой должны обладать электроны для того, чтобы беспрепятственно пройти через материал”.
Для изготовления нового мембранного резонатора группа Фенга использовала усовершенствованную технологию осаждения. Процесс начинается с изготовления электродов и круглых впадин на поверхности подложки чипа. Затем на поверхность углублений накладывается пленка из двухмерного материала, которая закрепляется и обрезается при помощи методов, разработанных ранее для изготовления плоских транзисторов из дисульфида молибдена. Чувствительность получившегося устройства столь высока, что оно позволяет зарегистрировать даже тепловые колебания мембраны, “шумовые” колебания, вызванные тепловыми колебаниями атомов в узлах кристаллической решетки.
“Наша работа над созданием резонаторов из двухмерных полупроводниковых материалов, обладающих запрещенной электронной зоной, может открыть дорогу разработке новых технологий преобразования механических колебаний в электрические или оптические сигналы” – рассказывает Фенг, – “Мы еще не уверены, что наше устройство будет работать гораздо лучше, чем подобные устройства, изготовленные из графена. Но наши устройства будут работать совсем по-иному, чем графеновые, и это может стать их огромным преимуществом”.
