声表面波（SAW）技术广泛应用于物理、化学和生物传感器，光子与量子声学，通信、信号处理以及芯片实验室等领域。传统SAW器件的工作频率通常在几个吉赫（GHz）以内，难以满足未来高频电子和通信需求。发展超高频SAW器件（频率高于3 GHz）对SAW高精度传感、5G通信、量子操控以及集成微波光子信号处理等领域至关重要。
天津理工大学钱莉荣研究团队、湖南大学段辉高研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2023年1月刊发表了题目为《基于LiNbO3/SiO2/SiC异质结构实现44 GHz超高频声表面波谐振器》的研究性文章，提出一种融合极端纳米制造工艺和“slow-on-fast”异质结构材料体系的策略，成功突破了SAW器件的频率纪录。基于该创新点，文章采用LiNbO3/SiO2/SiC异质结构材料作为衬底，并采用优化算法校正了电子束曝光时的邻近效应，优化了超高频SAW叉指换能器的电子束曝光参数，在异质结构衬底材料上成功制备出最小指宽为35 nm、波长为160 nm的叉指电极，获得了频率为5~44 GHz的超高频SAW器件。文章表明，制备的超高频SAW呈现出多种模态。此外，文章采用有限元仿真分析方法确认了基于LiNbO3/SiO2/SiC异质结构材料的超高频SAW器件的波模态。最后，文章进行了超高频SAW微质量传感应用研究，实现了超高质量灵敏度探测，证明了其优越的传感性能和在超高频SAW平台上的潜在应用。
文章通过扫描电子显微镜（SEM; Carl-Zeiss Sigma HD, Germany）观察了叉指电极表面形貌和LiNbO3/SiO2/SiC异质结构衬底的截面形貌；采用X射线衍射仪（XRD; D8ADVANCE, Germany）表征了薄膜晶体结构；采用原子力显微镜（AFM; SPI-3800N, Seiko Co., Japan）研究了LiNbO3/SiO2/SiC异质结构衬底的表面形貌，表征其表面粗糙度。此外，文章采用了R&S®ZVA矢量网络分析仪（最大频率可达67 GHz）、MPI 200 mm自动探针测试系统（MPI TS2000-SE）和GSG射频探针对器件性能进行测试。文章指出，在对SAW器件进行S参数测试之前，通过标准校准芯片进行开路、短路和负载校准，以减少射频电缆和探针测试系统的寄生信号影响。
总之，文章提出将极端纳米制造技术与LiNbO3/SiO2/SiC异质结构衬底相结合的策略，成功制备出波长为160 nm的超高频SAW器件，其高阶模态谐振频率高达约44 GHz，获得的机电耦合系数高达15.7%。文章表明，采用该模态获得了约33151.9 MHz∙mm2∙μg−1的超高质量灵敏度，分别比传统石英微天平器件和频率为978 MHz的SAW器件高约1011倍和4000倍。
以上内容来自：Jian Zhou, Dinghong Zhang, Yanghui Liu, Fengling Zhuo, Lirong Qian, Honglang Li, Yong-Qing Fu, Huigao Duan. Record-Breaking Frequency of 44 GHz Based on the Higher Order Mode of Surface Acoustic Waves with LiNbO3/SiO2/SiC Heterostructures [J]. Engineering, 2023, 20(1): 112-119.
原文链接：https://www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2022.05.003
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