一种机电耦合器件单元及其制备与应用

本发明涉及微电子器件，尤其涉及一种机电耦合器件单元及其制备与应用。

背景技术：

1、机电耦合效应是一种电气和机械形式转化，这种转换效应通常被称为压电或电致伸缩效应。其在半导体工业，尤其是电子芯片中的机械驱动和传感微结构有着重大应用前景，如“mems”器件。目前的电致伸缩应用主要集中在氧化物或者弛豫铁电体中，如mgo和tio2等简单氧化物的电致伸缩系数m小于10-19m2v-2，铅基钙钛矿铁电体如pb(zr,ti)o3的电致伸缩系数m为10-17m2v-2，它通常太弱无法广泛适用于微机电系统。

2、目前，基于电致伸缩效应的机电耦合器件具有结构简单、响应速度快、循环稳定性高等优势。然而，现代应用需求对机电耦合器件提出了更高的要求。一方面，需要实现一个大的弹性应变，基于电致伸缩效应实现的机电耦合现象不足以实现大应变，这严重限制了机电耦合器件的应用。另一方面，由于大部分机电耦合器件仅具有电致伸缩一种内部机制，其形变模式单一，这严重限制了器件的复杂环境应用，也对机电耦合器件的大规模集成和电路设计带来了很大的挑战。

3、因此需要找到一类小的电场下能产生较大的弹性应变的多阶段器件来提高机电耦合器件单元的机电耦合效率显得迫在眉睫。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请提供一种机电耦合器件单元及其制备与应用，用于解决如何提高机电耦合器件单元的机电耦合效率的问题。

2、为达到上述技术目的，本申请采用以下技术方案：

3、第一方面，本申请提供一种机电耦合器件单元，包括衬底、电极组、单晶ag2se功能层，电极组包括与单晶ag2se功能层两端部分别电连接的第一电极及第二电极；单晶ag2se功能层的（100）晶面平行于第一电极及第二电极产生的电流方向，单晶ag2se功能层的（001）晶面垂直于衬底且方向竖直朝上。

4、优选的，单晶ag2se功能层的底部两端分别由两个惰性金属层夹件对应夹持，两个惰性金属层夹件与第一电极及第二电极对应电连接；惰性金属层夹件包括分别设于单晶ag2se功能层两侧面的第一惰性金属层及第二惰性金属层。

5、优选的，单晶ag2se功能层的厚度为50-100 nm，长度及高度均为5-8 μm。

6、优选的，第一电极与第二电极的高度均为200-500nm。

7、第二方面，本申请提供一种机电耦合器件单元的制备方法，包括以下步骤：

8、s1. 在衬底上分别沉积第一电极与第二电极，再将单晶ag2se功能层竖直放置于第一电极与第二电极上；

9、s2. 自第一电极及所述第二电极分别向上沉积惰性金属且对应延伸至单晶ag2se功能层两侧面，形成两个分别夹持单晶ag2se功能层底部两端的惰性金属层夹件；

10、s3.接入电路，即得机电耦合器件单元。

11、优选的，单晶ag2se功能层的制备方法如下：

12、k1.将ag粉、se粉混合、压实，再进行等离子烧结，得到单相多晶ag2se锭体；

13、k2.研磨单相多晶ag2se锭体后、压实，得ag2se多晶粉末片；

14、k3.将ag2se多晶粉末片与se块于高真空环境混合烧结，得单晶须ag2se；

15、k4.利用ebsd和fib手段检测单晶须ag2se不同面对应的取向，选择（001）晶面竖直朝上的方向的单晶须ag2se，并垂直提取，而后利用ga离子束刻蚀法，调整尺寸，即得单晶ag2se功能层。

16、优选的，等离子烧结的温度为350-400℃，烧结压力为30-40mpa，保温时间为5-10min。

17、优选的，步骤k3的具体操作为，将ag2se多晶粉末片和se块密封在石英玻璃管中，然后放置于管式炉中烧结，烧结温度为773-800 k，持续5-8天。

18、第三方面，本申请提供一种机电耦合器件单元的调制方法，包括以下步骤：

19、施加第一外激励，使机电耦合器件单元内离子发生极性偏转，产生电致伸缩，形成第一阶段应变调控；

20、撤回第一外激励，使电致伸缩反方向进行，应变回复；

21、在第一外激励的基础上，继续施加第二外激励，使单晶ag2se功能层发生相变，形成第二阶段应变调控。

22、第四方面，本申请提供一种机电耦合器件单元在半导体中的应用。

23、本申请的有益效果如下：

24、本申请通过在机电耦合器件单元设置单晶特定取向的快离子导体材料-单晶ag2se功能层来获得大应变、多阶段的机电耦合器件，利用单晶ag2se功能层同时具备电致伸缩和电致相变伴随的大的应变两种应变状态，使得机电耦合器件单元在外激励条件下，应变既可进行稳定的线性变化，也可以产生特性区间的突变，从而实现了多阶段应变，机电耦合效率高，扩宽了机电耦合器件应用领域；

25、本申请基于单晶ag2se经过取向筛选作为功能层，惰性金属单质作为电极层，以使机电耦合器件能实现多阶段大应变的功能，能够在竖直方向上的调控运动状态，具有较好的精度和稳定性。

技术特征：

1.一种机电耦合器件单元，其特征在于，包括衬底、电极组、单晶ag2se功能层，所述电极组包括与所述单晶ag2se功能层两端部分别电连接的第一电极及第二电极；所述单晶ag2se功能层的（100）晶面平行于所述第一电极及第二电极产生的电流方向，所述单晶ag2se功能层的（001）晶面垂直于所述衬底且方向竖直朝上。

2.根据权利要求1所述的机电耦合器件单元，其特征在于，所述单晶ag2se功能层的底部两端分别由两个惰性金属层夹件对应夹持，两个所述惰性金属层夹件与第一电极及第二电极对应电连接；所述惰性金属层夹件包括分别设于所述单晶ag2se功能层两侧面的第一惰性金属层及第二惰性金属层。

3. 根据权利要求1所述的机电耦合器件单元，其特征在于，所述单晶ag2se功能层的厚度为50-100 nm，长度及高度均为5-8 μm。

4.根据权利要求1所述的机电耦合器件单元，其特征在于，所述第一电极与第二电极的高度均为200-500nm。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的机电耦合器件单元的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的机电耦合器件单元的制备方法，其特征在于，所述单晶ag2se功能层的制备方法如下：

7.根据权利要求6所述的机电耦合器件单元的制备方法，其特征在于，所述等离子烧结的温度为350-400℃，烧结压力为30-40mpa，保温时间为5-10min。

8. 根据权利要求6所述的机电耦合器件单元的制备方法，其特征在于，步骤k3的具体操作为，将所述ag2se多晶粉末片和se块密封在石英玻璃管中，然后放置于管式炉中烧结，烧结温度为773-800 k，持续5-8天。

9.一种如权利要求1-4任一项所述的机电耦合器件单元的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.一种如权利要求1-4任一项所述的机电耦合器件单元在半导体领域中的应用。

技术总结本发明公开一种机电耦合器件单元及其制备与应用，包括衬底、电极组、单晶Ag<subgt;2</subgt;Se功能层，电极组包括与单晶Ag<subgt;2</subgt;Se功能层两端部分别电连接的第一电极及第二电极；单晶Ag<subgt;2</subgt;Se功能层的（100）晶面平行于第一电极及第二电极产生的电流方向，单晶Ag<subgt;2</subgt;Se功能层的（001）晶面垂直于衬底且方向竖直朝上；基于单晶Ag<subgt;2</subgt;Se经过取向筛选作为功能层，惰性金属单质作为电极层，以使机电耦合器件能实现多阶段大应变的功能，能够在竖直方向上的调控运动状态，具有较好的精度和稳定性。技术研发人员：吴劲松,罗豪,杨东旺,梁麒受保护的技术使用者：武汉理工大学技术研发日：技术公布日：2024/4/22