[論文レビュー] Nonlinear nano-electromechanical lattices for high-frequency, tunable stress propagation

Jinwoong Cha, Chiara Daraio|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|Mar 16, 2018

Mechanical and Optical Resonators参考文献 30被引用数 34

ひとこと要約

本論文では、10–30 MHz帯の高周波応力波を動的に制御可能な、チューナブルで非線形なナノエレクトロメカニカル格子（NEML）を提示する。自由に支持されたナノ膜の周期的アレイにDCゲート電圧を印加することで、電圧依存の局所的ポテンシャルが誘発され、バンド構造がシフトし、非線形効果によって電圧でチューニング可能なフォノニック帯域ギャップが生成される。これにより、再構成可能なRFフィルターや超音波トランスデューサーへの応用が可能になる。

ABSTRACT

Active manipulation of mechanical waves at high frequencies opens opportunities in heat management, radio-frequency (RF) signal processing, and quantum technologies. Nanoelectromechanical systems (NEMS) are appropriate platforms for developing these technologies, offering energy transducibility between different physical domains, for example, converting optical or electrical signals into mechanical vibrations and viceversa. Existing NEMS platforms, however, are mostly linear, passive, and not dynamically controllable. Here, we report the realization of active manipulation of frequency band dispersion in one-dimensional (1D) nonlinear nanoelectromechanical lattices (NEML) in the RF domain (10-30 MHz). Our NEML is comprised of a periodic arrangement of mechanically coupled free-standing nano-membranes, with circular clamped boundaries. This design forms a flexural phononic crystals with a well-defined band gaps, 1.8 MHz wide. The application a DC gate voltage creates voltage-dependent on-site potentials, which can significantly shift the frequency bands of the device. Dynamic modulation of the voltage triggers nonlinear effects, which induce the formation of phononic band gaps in the acoustic branch. These devices could be used in tunable filters, ultrasonic delay lines and transducers for implantable medical devices.

研究の動機と目的

• 高周波機械波制御を目的とした、動的にチューナブルで非線形なナノエレクトロメカニカルシステムの開発。
• 従来の線形的で受動的なNEMSプラットフォームの限界を克服し、アクティブで電圧制御可能なチューナビリティを導入。
• ナノ膜の1次元格子におけるフォノンバンド構造の電圧誘起モード変調を実証。
• 再構成可能なRFフィルター、超音波遅延ライン、埋め込みトランスデューサーなどの応用を可能にする。

提案手法

• 曲げフォノン結晶としての内在的帯域ギャップを有する、円形で固定されたナノ膜の1次元周期的格子の設計。
• 格子の機械的応答を変調するため、電圧依存の局所的ポテンシャルを生成するためにDCゲート電圧を印加。
• 動的電圧変調によって誘発される非線形な機械的効果を活用し、音響分岐におけるチューナブルなフォノニック帯域ギャップを生成。
• ゲート電圧を変化させた際の周波数帯分散のシフトを測定し、チューナビリティおよび非線形行動の確認。
• 有限要素シミュレーションを用いたシステムの特徴付けと、帯域ギャップ形成およびチューニングの実験的検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1次元ナノメカニカル格子における電圧制御可能な局所的ポテンシャルは、機械波の周波数帯構造を動的にチューニング可能か？
• RQ2 動的電圧変調によって誘発される非線形効果は、音響分岐におけるフォノニック帯域ギャップの形成および位置にどのように影響するか？
• RQ3 適用されたDCおよびACゲート電圧によって、帯域ギャップの幅および中心周波数をどの程度制御可能か？
• RQ4 RF領域（10–30 MHz）におけるデバイスの周波数範囲およびチューニング帯域幅は何か？
• RQ5 本システムは、チューナブルなRFフィルターや超音波トランスデューサーなどの実用的応用をサポートできるか？

主な発見

• NEMLは、曲げフォノン結晶構造において1.8 MHz幅のフォノニック帯域ギャップを示す。
• DCゲート電圧の適用により、中心周波数の10%まで周波数帯がシフトし、アクティブなチューナビリティが実証された。
• 動的電圧変調が非線形効果を誘発し、音響分岐に電圧でチューニング可能な帯域ギャップの形成をもたらした。
• ゲート電圧による精密な制御により、10–30 MHzのRF周波数範囲にわたる応力伝搬がチューナブルに実現された。
• シミュレーションと測定結果から、ゲート電圧の変更によって帯域ギャップの位置および幅を逆転可能に調整でき、再構成可能な波動制御が可能であることが確認された。