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全球最小、最好的聲學(xué)射頻放大器誕生,與環(huán)行器和濾波器實(shí)現異質(zhì)集成
來(lái)源:麥姆斯咨詢(xún)  瀏覽次數:175  發(fā)布時(shí)間:2021-06-25

據麥姆斯咨詢(xún)報道,美國桑迪亞國家實(shí)驗室(Sandia National Laboratories)的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一款全球最小、性能最好的聲學(xué)射頻放大器,并且,這款器件利用了被遺忘近50年的老概念。


該研究成果已發(fā)表于Nature Communications,新款器件的效率達到了過(guò)去早期版本的10多倍,為未來(lái)小型化無(wú)線(xiàn)技術(shù)的設計和研究方向打開(kāi)了大門(mén)。


現代手機利用無(wú)線(xiàn)電技術(shù)來(lái)接打電話(huà)、收發(fā)訊息和高速傳輸數據。這些智能設備覆蓋的頻率越多,它們能做的事情就越多。放大器等大多數無(wú)線(xiàn)電組件都是電子元器件,它們還可以被制成更小、更好的聲學(xué)器件。這意味著(zhù)它們將利用聲波而不是電子來(lái)處理無(wú)線(xiàn)電信號。


桑迪亞實(shí)驗室的科學(xué)家Lisa Hackett說(shuō):“由于這些頻率下的聲波波長(cháng)很小,比人類(lèi)頭發(fā)的直徑還小得多,因而這種聲學(xué)器件的尺寸可以非常緊湊?!辈贿^(guò)到目前為止,這類(lèi)無(wú)線(xiàn)電組件很多還無(wú)法用聲學(xué)技術(shù)來(lái)實(shí)現。


桑迪亞實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的這款276 MHz聲學(xué)射頻放大器尺寸僅為0.5平方毫米,展示了無(wú)線(xiàn)電組件利用聲學(xué)技術(shù)縮小尺寸的巨大潛力。為了應對承載大部分現代手機流量的2 GHz頻率,這種聲學(xué)器件的尺寸可以變得更加小巧,僅約為0.02平方毫米,這個(gè)尺寸甚至能很容易植入一粒食鹽,比目前最先進(jìn)技術(shù)制作的器件還要小10多倍。


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(a)有限元模型中的縱向電場(chǎng)(Ex),位移場(chǎng)用黑色箭頭表示;(b)在LiNbO3襯底上構建In0.53Ga0.47As薄膜聲電效應的示意圖;(c)異質(zhì)結構晶圓加工后的圖像;(d)無(wú)源和有源聲學(xué)器件的偽色SEM圖像,包括(e)延遲線(xiàn)、(f)放大器、(g)環(huán)行器。


該團隊還構建了第一款聲學(xué)環(huán)行器,這是用于分離發(fā)射和接收信號的另一個(gè)重要無(wú)線(xiàn)電組件。桑迪亞實(shí)驗室的科學(xué)家Matt Eichenfield表示:“這些微型聲學(xué)器件共同實(shí)現了一個(gè)極具前景的研究方向,可以使所有通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波發(fā)送和接收信息的通訊產(chǎn)品變得更小、更復雜。


Eichenfield補充說(shuō):“我們的研究成果首次證明了用聲學(xué)技術(shù)實(shí)現通常需要電子學(xué)技術(shù)完成的功能是可行的?!?/p>


事實(shí)上,早在數十年前,科學(xué)家們就曾嘗試制造聲學(xué)射頻放大器,不過(guò),關(guān)于這些研究的最近的重要文獻還要追溯到20世紀70年代。


沒(méi)有現代納米制造技術(shù),當時(shí)開(kāi)發(fā)的器件性能太差而無(wú)法應用。利用當時(shí)開(kāi)發(fā)的器件將信號放大100倍需要1厘米的空間和2000 V的電壓。此外,它們還會(huì )產(chǎn)生大量的熱量,需要超過(guò)500 mW的功率。


而桑迪亞實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的這款聲學(xué)放大器的性能在某些方面超過(guò)70年代版本的10倍以上。并且可以在0.2毫米的空間內將信號強度提高100倍,且僅需36 V的電壓和20 mW的功率。


以前的研究人員試圖通過(guò)使用半導體材料層來(lái)增強聲學(xué)器件,而這些器件本身無(wú)法放大。為了使他們的概念成功運行,添加的材料必須非常薄并且質(zhì)量非常高,但是,憑借當時(shí)的技術(shù),科學(xué)家們無(wú)法兼顧。


幾十年之后,桑迪亞實(shí)驗室開(kāi)發(fā)了兩種技術(shù),通過(guò)添加一系列薄層半導體材料來(lái)改善光伏電池。領(lǐng)導這項工作的科學(xué)家碰巧與Eichenfield共用一個(gè)辦公室。


“上述技術(shù)進(jìn)展,我在辦公室里一直有耳聞?!盓ichenfield說(shuō),“后來(lái)我閱讀這些論文是出于對這種聲電放大器的好奇,了解了他們的研究成果后,我意識到桑迪亞同事們開(kāi)發(fā)的這種將非常薄的半導體轉移到其他材料上的技術(shù),正是我們要使這些聲電器件實(shí)現所有性能需要的技術(shù)?!?/p>


桑迪亞實(shí)驗室用83層原子厚的半導體材料制造了這款放大器,這比人類(lèi)的的頭發(fā)絲還要薄1000倍。


將超薄半導體層融合到不同的聲學(xué)器件上需要非常復雜的過(guò)程,即在其他晶體上生長(cháng)晶體,并將它們與其他晶體鍵合,然后用化學(xué)方法去除99.99%的材料,以獲得一個(gè)完美光滑的接觸表面。這樣的納米制造方法被統稱(chēng)為異質(zhì)集成,是桑迪亞實(shí)驗室以及整個(gè)半導體行業(yè)越來(lái)越感興趣的研究領(lǐng)域。


放大器、環(huán)行器和濾波器是不同的技術(shù),通常是分開(kāi)制造的,但是,桑迪亞的研究人員在同一顆聲電芯片上制造了它們??捎糜谠谕恍酒现圃斓募夹g(shù)越多,制造就越簡(jiǎn)單,效率也就越高。該團隊的研究表明,剩余的其它無(wú)線(xiàn)電信號處理組件也可以在已經(jīng)驗證的器件上進(jìn)一步擴展。


這項研究由桑迪亞實(shí)驗室指導的研究發(fā)展計劃和綜合納米技術(shù)中心資助,該中心是桑迪亞和洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗室(Los Alamos national laboratories)聯(lián)合運營(yíng)的制造基礎設施。


那么,這些精巧的無(wú)線(xiàn)電組件何時(shí)可以進(jìn)入我們的智能手機?Eichenfield表示,“可能還有待時(shí)日。像智能手機這種大批量的商業(yè)產(chǎn)品全部轉用全聲電技術(shù),需要對制造業(yè)基礎設施進(jìn)行大規模整改,這不是一朝一夕的事情。但對于小批量生產(chǎn)的特種設備,這項技術(shù)有著(zhù)更直接的前景?!?/p>


桑迪亞研究團隊目前正在探索是否可以改進(jìn)它們的技術(shù)以用于全光信號處理。他們還在研究這種技術(shù)是否能幫助分離和操縱被稱(chēng)為聲子的單個(gè)量子態(tài),這可能使其可以在某些量子計算機中用于控制和測量。


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