南京大学在TF-SAW声子晶体领域获进展,推动声学谐振器和滤波器发展

导读

据麦姆斯咨询报道，近期，南京大学材料科学与工程系的研究人员在薄膜声表面波（TF-SAW）声子晶体领域取得进展，通过在铌酸锂/碳化硅基底上构造微米级微孔型声子晶体，探究了TF-SAW声子晶体对3GHz频率的声表面Love波的抑制和局域效果，实现了高FoM值SAW声子晶体谐振器，展现了声子晶体在推动微波声学器件向更高性能和更小型化方向发展的潜力。相关成果以“GHz Love-mode TF-SAW phononic crystals based on LiNbO3-on-SiC substrate”和“High-performance Love-mode phononic crystal resonators on LiNbO3/SiC achieving an FoM of 352”为题，分别发表于Applied Physics Letters（DOI: 10.1063/5.0254867）和Applied Physics Letters（DOI: 10.1063/5.0274355）。

研究背景

虽然声表面波（SAW）声子晶体在1998年被提出并取得了长足发展，但与现代SAW器件结构的集成在很大程度上仍未得到充分开发。SAW器件因其高集成度、优异的频率选择性以及与半导体制造工艺的兼容性，已成为现代无线通信和传感技术中不可或缺的一部分。这些传统SAW器件通常依赖于体块铌酸锂（LiNbO3）或钽酸锂（LiTaO3）衬底，具备优异的压电性能、高居里温度和化学稳定性。然而，随着5G、6G等新一代通信系统的到来，传统SAW器件的工作频率（通常低于3GHz）已无法满足新兴需求。同时，机电耦合系数、带宽、热稳定性等性能指标的严格要求也逐渐显现。因此，薄膜声表面波（TF-SAW）器件成为了一项前沿技术。

TF-SAW器件采用亚微米或纳米级的LiNbO3、LiTaO3、AlScN薄膜，搭载在单层或多层衬底上，因此也称作多层薄膜声表面波器件（ML-SAW）。TF-SAW衬底材料包括二氧化硅、硅、蓝宝石、碳化硅或金刚石。这种材料体系不仅实现了更高的工作频率和更低的损耗，还支持更多样化的声学模式。传统的SAW器件主要依赖瑞利（Rayleigh）模式，而TF-SAW器件则可广泛采用勒夫（Love）模式。Love模式以剪切模量为主导，产生水平极化的剪切波，能够在薄膜结构中有效减小垂直能量泄漏并最大化波的局域化。因此，基于Love模式的SAW器件展现出了更高的机电耦合系数和更低的辐射损耗，这为声学谐振器、宽带滤波器及其它相关器件的发展提供了有力支持。图1展示了SAW器件的演变历程。

图1 SAW器件的大致发展历程

在传统SAW谐振器中，由周期性金属指条组成的布拉格反射栅被放置在叉指换能器（IDT）两侧，以限制和反射声能量。然而，对于无垂直位移的Love模式声表面波，传统的布拉格反射栅反射效率较低。因此，需要大量的金属指条，这通常导致反射栅区域的尺寸大幅超出换能器区域，影响器件的紧凑性和工作效率。为了解决这一问题，将声子晶体集成到此类TF-SAW器件中，取代面积较大的布拉格反射栅，成为一种可能的解决方案。通过这种集成方式，不仅可以有效提反射效率，还能够在不牺牲性能的情况下显著提升器件的集成度，从而实现更小巧、更高效的设计。

创新研究

南京大学余思远、陈延峰研究组提出了一种基于铌酸锂薄膜/碳化硅基底的SAW声子晶体。选择碳化硅作为高速基底，主要是因为其具有高声速（12500 m/s）、高热导率（约490 W·m⁻¹·K⁻¹）和低Akhiezer机械阻尼等关键优势，这些特性有助于高频声表面波的激励，同时能够有效抑制和局域Love模式声表面波，从而展现出提升传统微波声学器件性能的优异潜力。如图2所示，微孔型声子晶体被置于叉指换能器两侧，替代了传统的金属指条反射栅。与同尺寸的传统谐振器相比，这种新型设计能够实现更高的品质因子（Q）和优值（FoM），且不损害其它性能。

图2 基于铌酸锂/碳化硅基底的Love波声子晶体谐振器示意图

（1）基于铌酸锂/碳化硅基底的Love波声子晶体禁带

在铌酸锂表面上，研究组利用电感耦合等离子体-反应离子刻蚀（ICP-RIE）技术，在铌酸锂薄膜上构造了微孔型声子晶体，并通过单向换能器激发和接收Love波（波的传播方向平行于声子晶体Γ-X方向），进而构建了声子晶体传输线，研究了圆孔尺寸和声子晶体层数对2GHz Love波抑制效果的影响，如图3和图4所示。

图3 自由表面和声子晶体传输线

图4 Γ-X方向声子晶体对Love波的抑制效果

类似地，当声子晶体传输线中波的传播方向平行于声子晶体Γ-M方向时，声子晶体能够提供3GHz的禁带，如图5所示。实验结果表明，声子晶体Γ-X方向的带隙为2.026-2.347 GHz（相对带宽15%），Γ-M方向的带隙为3.001-3.167 GHz（相对带宽为6.7%）。微孔的几何参数，包括孔径和刻蚀深度，能够有效调节带隙位置和相对宽度。这些带隙成功实现了高效的Love模抑制，使用40个周期的声子晶体能够实现高达40 dB的抑制效果。

图5 Γ-M方向声子晶体对Love波的抑制效果

（2）Love波声子晶体谐振器

研究组通过将传统谐振器（CR）中的布拉格反射栅替换为相同长度的声子晶体，构建了声子晶体谐振器（PnCR），如图6所示。该谐振器的孔径为70μm，反射区域由沿传播方向的26层声子晶体反射栅组成，总长度为39μm。两种谐振器均包含40对叉指换能器。传统谐振器的布拉格反射栅由与叉指换能器周期相同的金属指条构成，其长度为20个电极周期（41μm）。

图6 声子晶体谐振器和传统谐振器的SEM照片

通过对比两种谐振器，研究组在声子晶体谐振器中实现了Q值提升25.7%（达到1291），同时在2GHz以上频率下保持了27.3%的高机电耦合系数。这种组合实现了破纪录的优值（FoM值）352.4，并且没有引入明显的杂模，如图7所示。研究结果展示了声子晶体在推动高性能、小型化SAW器件方面的潜力。

图7 声子晶体谐振器（PnCR）和传统谐振器（CR）的性能对比

展望

基于铌酸锂/碳化硅衬底的Love模式声子晶体有望扩展到复合或多层异质结构中，结合其它压电材料，例如AlN、ZnO、LiTaO₃等，以及不同衬底，如硅、蓝宝石和金刚石。这些结构能够提供更宽的带隙、优异的温度稳定性和增强的功率耐受性，使其成为下一代声学应用中的多功能候选材料。此外，基于TF-SAW的声子晶体在提高5G/6G通信系统中先进声学谐振器和滤波器的性能、改善微流控系统中微米级和纳米级颗粒的操控能力，以及增强声表面波与各种材料和物态之间的相互作用（例如斯格明子、NV色心和量子超导比特）方面，具有广阔的应用前景。