迈向太赫兹纳米力学：基于超薄铌酸锂薄膜的220 GHz兰姆波谐振器研究

本文系统报道了通过多阶段减薄铌酸锂（LN）薄膜至67 nm并制备悬浮兰姆波谐振器（LWR），成功将机电谐振频率提升至近220 GHz，突破太赫兹（THz）阈值。研究揭示了超薄薄膜在频率提升中的显著优势，同时发现亚100 nm薄膜因表面缺陷导致的声学损耗增加问题。该工作为太赫兹声子信号处理、量子声子学及分子振动传感提供了关键器件平台，指出未来太赫兹纳米力学的发展亟需优化亚100 nm薄膜的表面质量。

　　

引言：太赫兹技术的前沿挑战与纳米机电系统的机遇

太赫兹（THz）频率范围（0.3–10 THz）作为微波与红外光学之间的桥梁，在工业、医疗及基础科学领域具有广泛应用潜力。其非电离特性、对分子振动/旋转模式的高敏感性以及对非极性/非导电材料的强穿透性，使其成为天文观测、凝聚态物理和生物化学研究的重要工具。然而，该频段的发展长期受限于可靠源、探测器及控制元件的缺失。

纳米机电系统（NEMS）因其在电-机械域能量转换中的核心作用，成为解决这一挑战的理想平台。它们对质量、力和温度的高灵敏度，以及相较于复杂光学平台（如泵浦-探测技术、拉曼和布里渊散射光谱）的紧凑性和可扩展性优势，使其成为太赫兹探测系统的关键构件。在量子研究中，太赫兹谐振器可在更高温度下维持量子基态——例如300 GHz谐振器在3 K温度下即有99.2%的量子基态占据率，而GHz谐振器通常需要毫开尔文级冷却或边带冷却技术。

近年来，基于薄膜铌酸锂（LN）平台的亚太赫兹机电谐振器已在110 GHz附近实现，但其向太赫兹频段的推进仍面临重大挑战。在300 GHz时，z切LN的厚度剪切（TS）模式声波波长仅约10 nm，对高效换能提出了极高要求。减薄压电薄膜以激发高阶厚度（T）模式，成为提升频率的有效策略。

结果：220 GHz纳米力学与损耗机制研究

本研究通过多阶段离子铣削将LN厚度从300 nm逐步减薄至67 nm，制备了具有不同厚度阶梯（67、107、165、230和300 nm）的铌酸锂绝缘体（LNOI）芯片，并在此基础上制作了悬浮兰姆波谐振器（LWR）。光学干涉效应使不同厚度薄膜呈现颜色差异，直观反映了厚度变化。

电学响应测试显示，谐振器在110–220 GHz范围内表现出多个机械共振峰。对于300 nm、230 nm、165 nm和107 nm厚度的薄膜，分别观察到T35、T27、T19和T13模式，共振频率接近220 GHz。值得注意的是，随着薄膜厚度减小，偶模共振开始出现且响应增强，而在67 nm薄膜中奇模共振显著减弱，这可能与表面损伤引起的铁电性质改变有关。

史密斯圆图分析进一步揭示，较薄薄膜（如165 nm）的共振圆较小，表明其机械品质因子（Q）较低。拟合结果表明，较厚谐振器通常具有更高Q值，且Q值与频率存在相关性，可能与金电极的能量参与比有关。更显著的是，Q值与谐振器表面体积比呈负相关，表明表面相关损耗是超薄薄膜性能下降的主因。

为探究表面损伤，研究采用X射线反射（XRR）和选择性湿法刻蚀进行表征。XRR测得表面损伤层厚度约5–6 nm，而HF酸刻蚀实验显示被去除的损伤层厚度达20 nm。这种差异表明损伤层具有渐变的散射长度密度（SLD）分布，从表面非压电区域向晶体内部过渡。对于67 nm薄膜，损伤层占比可达30%，严重劣化了机械性能。

讨论：兰姆波谐振器在太赫兹纳米力学中的优势与前景

纵观微/纳米机械谐振器的发展历程，从二十年前低于1 GHz的谐振器到本研究实现的220 GHz纪录，频率提升得益于制造技术、材料平台和设计方法的进步。与其他谐振器类型（如梁式谐振器、薄膜体声波谐振器（FBAR）、表面声波（SAW）谐振器、光机械晶体（OMC））相比，兰姆波谐振器（LWR）的频率主要取决于薄膜厚度，而非光刻定义的横向尺寸，这降低了制造精度要求，并通过使用更薄薄膜实现频率缩放。

本研究基于薄膜LN实现了高达220 GHz的机械共振频率，通过系统减薄和制备不同厚度LWR，揭示了机械Q与表面体积比的关系，为优化亚100 nm薄膜质量、提升太赫兹纳米力学器件性能指明了方向。220 GHz操作标志着进入太赫兹纳米力学领域的关键进展，该频段声波波长与亚100 nm厚度相当，使器件性能对纳米级缺陷极度敏感，对材料表征和制造工艺提出了极限挑战。

高频操作还为研究Landau-Rumer区提供了优势，该区域内声子-声子散射行为发生根本变化，且fQ积随频率增加而有利缩放。此外，该频段覆盖分子指纹谱区域，为集成太赫兹光谱传感系统奠定了基础，并为与新兴太赫兹光电子学平台的融合提供了可能。

方法：纳米制造与校准技术

纳米制造流程包括：通过多轮离子铣削制备多厚度阶梯LNOI芯片；采用电子束光刻定义金电极图形并通过剥离工艺实现；使用氢倍半硅氧烷抗蚀剂定义释放窗口，氩离子铣削完全去除指定区域内LN层；最后用缓冲氧化物蚀刻剂去除LN梁下方的二氧化硅，实现谐振器悬浮。

散射参数测量使用Keysight E8361C网络分析仪，配合覆盖67–110 GHz、D波段和G波段的频率扩展器。采用线-反射-反射-匹配（LRRM）法进行片外校准，随后通过直通-反射-线（TRL）法进行片上校准，传输线参数为：信号线宽40 μm，地线宽135 μm，信号-地间隙12.5 μm。