[논문 리뷰] Nonlinear nano-electromechanical lattices for high-frequency, tunable stress propagation

Jinwoong Cha, Chiara Daraio|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|2018. 03. 16.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 30인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 10–30 MHz 범위의 고주파 응력파를 동적으로 제어할 수 있는 조절 가능하고 비선형적인 나노전자기학 격자(NEML)를 제시한다. 자유지지 나노막대를 포함한 주기적인 배열에 일정 전압을 인가함으로써, 전압에 따라 변화하는 위치 에너지가 유도되며, 이는 밴드 구조를 이동시키고 비선형 효과를 통해 전압 조절이 가능한 격자 금속역을 형성한다. 이는 재구성 가능한 RF 필터 및 초음파 변환기 등의 응용을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고주파 기계파 제어를 위한 동적으로 조절 가능한 비선형 나노전자기학 시스템을 개발한다.
• 기존의 선형적이고 수동적인 NEMS 플랫폼의 한계를 극복하기 위해 능동적이고 전압 제어가 가능한 조절성을 도입한다.
• 나노막대의 1차원 격자에서 전압 유도형 기계적 진동 구조의 밴드 구조를 조절하는 것을 입증한다.
• 재구성 가능한 RF 필터, 초음파 지연선, 이식 가능한 변환기 등의 응용을 가능하게 한다.

제안 방법

• 굽힘 진동을 가진 내재된 밴드 갭을 가진 유연성 있는 포화 결정로 구성된 원형 고정 나노막대의 1차원 주기적 격자를 설계한다.
• 격자의 기계적 반응을 조절하기 위해 DC 게이트 전압을 인가하여 전압에 의존하는 위치 에너지를 생성한다.
• 동적 전압 조절에 의해 유도된 비선형 기계적 효과를 활용하여 음향 분지에서 조절 가능한 포화 결정 밴드 갭을 생성한다.
• 게이트 전압을 변화시킬 때 주파수 밴드 분산 이동을 측정하여 조절 가능성과 비선형 행동을 확인한다.
• 유한 요소 시뮬레이션과 실험적 검증을 통해 밴드 갭 형성 및 조절 특성을 특성화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1차원 나노기계 격자에서 전압 제어가 가능한 위치 에너지가 기계파의 주파수 밴드 구조를 동적으로 조절할 수 있는가?
• RQ2 동적 전압 조절에 의해 유도된 비선형 효과가 음향 분지에서 포화 결정 밴드 갭의 형성과 위치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 적용된 DC 및 AC 게이트 전압을 통해 밴드 갭의 너비와 중심 주파수를 어느 정도 제어할 수 있는가?
• RQ4 장치의 RF 도메인(10–30 MHz)에서 주파수 범위와 조절 대역폭은 무엇인가?
• RQ5 이 시스템은 조절 가능한 RF 필터나 초음파 변환기와 같은 실용적 응용을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• NEML은 굽힘 포화 결정 구조에서 1.8 MHz 너비의 포화 결정 밴드 갭을 나타낸다.
• DC 게이트 전압을 인가함으로써 주파수 밴드가 중심 주파수의 최대 10% 범위에서 이동하며, 능동적 조절 가능성을 입증한다.
• 동적 전압 조절이 비선형 효과를 유도하여 음향 분지에서 전압 조절이 가능한 밴드 갭 형성을 이룬다.
• 게이트 전압 조절을 통해 10–30 MHz RF 주파수 영역에서 스트레스 전파를 조절 가능한 시스템을 달성한다.
• 시뮬레이션과 측정 결과는 게이트 전압을 변화시킴으로써 밴드 갭의 위치와 너비를 가역적으로 조정할 수 있음을 확인하여 재구성 가능한 파동 조작이 가능함을 입증한다.