中国粉体网讯 近日，日本国立物质材料研究所廖梅勇主席研究员团队的AMR述评文章“Low-Energy Dissipation Diamond MEMS”在线发表。文章基于其实验室开发的“智能剪切”法所制备的器件，概述了实现超高品质因子单晶金刚石微机电系统的最新研究进展与策略。这些策略代表着推动金刚石MEMS谐振子性能提升与应用扩展的关键技术。
微机电系统（MEMS）因其高灵敏度、可批量生产、低功耗和易集成等优势，在过去三十年得到迅速发展。MEMS广泛应用于各领域，从汽车安全中的加速度计和陀螺仪，到消费电子中的精密参考振荡器，再到原子力显微镜探针和引力波探测传感器。品质因子（Quality Factor, Q）是MEMS谐振子的基本参数，决定了器件的灵敏度、噪声水平、能耗效率和稳定性。尽管传统半导体硅基MEMS由于其成熟的微电子技术，已经取得了卓越的进步，但其固有材料特性限制了灵敏度、稳定性和可靠性，尤其是在极端条件下的应用。
低能量耗散的MEMS， 一直是人们的追求。
金刚石MEMS
单晶金刚石（SCD）凭借其优异的材料特性，例如极高的机械强度、卓越的电学性能、最高的热导率和化学惰性，已成为制备高灵敏度和高可靠性MEMS的理想材料。因此，金刚石MEMS表现出高品质因子、高可靠性、低热机械力噪声和长机械量子态相干时间，不仅能提升MEMS器件性能，还能扩展至量子领域。此外，SCD不存在晶界和其他碳相，是实现超低能量损耗（或超高品质因子）MEMS谐振子的最优选择。然而，SCD微加工非常困难，而且在异质衬底上进行SCD的外延生长仍然具有挑战性。
高品质SCD M/NEMS的制备及应用
SCD MEMS 策略
文章提出了三种提升金刚石谐振子品质因子的策略。一是在离子注入衬底上生长高晶体质量的SCD外延层；二是超高真空退火减少晶体缺陷，以及原子层级氧刻蚀消除缺陷层的缺陷工程；三是通过将谐振器减薄至约100nm厚度的应变工程。
金刚石MEMS的能量耗散机制及品质因子增强策略
在“智能剪切”法中，约100nm厚的缺陷层是主要的本征能量损耗来源。通过在缺陷层之上生长高晶体质量的金刚石外延层，并对缺陷层进行原子尺度的刻蚀，品质因子可以从几千提高到超过一百万（室温下），这是所有半导体材料中最高的。SCD MEMS的高品质因子还得益于外延层的纯度控制以及金刚石的超宽禁带。通过对SCD MEMS进行纳米尺度的应变工程，品质因子有望得到进一步增强。这些策略代表了推动金刚石MEMS谐振子性能提升与应用扩展的关键技术。
未来与发展
新一代半导体-金刚石，具有5.5eV的超宽带隙，被称为终极半导体，是当前国际材料科学研究的前沿和热点之一。单晶金刚石由于其无与伦比的材料特性，具有理论最高共振频率和最高品质因子，确保了制备器件的灵敏度、可靠性和响应速度，成为克服传统半导体基MEMS本征缺陷的理想材料。
纳米尺度的纳机电系统（NEMS）由于其更小的尺寸、更轻的质量和更低的功耗，能够提供比微米级MEMS更高的集成度、灵敏度和探测率。然而，当器件尺寸进入纳米尺度时，传统半导体基NEMS会出现表面能量损耗高和热稳定性差等问题，限制其灵敏度和可靠性，给实际应用带来难题。SCD由于具有最高机械强度和杨氏模量，无固态氧化层，能够提供最高共振频率和品质因子，从而能够克服这些问题，为开发面向高频率、高精度和极端环境下应用的高灵敏度和高可靠性NEMS传感器提供了重要基础。
未来，高品质因子SCD NEMS谐振器件将在量子传感和5G通信等关键领域展现出巨大潜力和应用价值。
参考来源：
1.ACS材料X
2.Guo Chen.Low-Energy Dissipation Diamond MEMS
（中国粉体网编辑整理/轻言）
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