关于ZnO/熔融石英基板中瑞利波与泄漏Sezawa波传播的实验与理论分析研究报告
一、 研究团队与发表信息 本研究由来自意大利国家研究委员会光子学与纳米技术研究所（IFN-CNR）的Cinzia Caliendo（通讯作者）、微电子与微系统研究所（IMM-CNR）的Massimiliano Benetti、Domenico Cannatà、Gaetana Petrone，以及阿尔及利亚工业技术研究中心（CRTI）的Farouk Laidoudi合作完成。研究成果以题为《Experimental and theoretical analysis of Rayleigh and leaky-Sezawa waves propagating in ZnO/fused silica substrates》的学术论文形式，于2024年7月29日发表在期刊《Micromachines》（2024年第15卷，第974页）上。该文章遵循知识共享署名（CC BY）许可协议开放获取。
二、 学术背景与研究目的 本研究属于声表面波（Surface Acoustic Wave， SAW）器件与压电薄膜技术交叉领域。声表面波器件在现代无线通信、传感和信号处理中应用广泛，其核心性能指标包括工作频率、机电耦合系数（k²，衡量电能与声能转换效率）和传播损耗。传统上，提高SAW器件工作频率通常需要借助昂贵的纳米光刻技术来减小叉指换能器（Interdigital Transducer， IDT）的电极尺寸，这增加了制造成本和技术复杂度。
研究背景基于一种特定的层状结构——“慢层/快衬底”（slow on fast）结构，即压电薄膜层的剪切体声波（Bulk Acoustic Wave， BAW）速度低于下方衬底的速度。在这种结构中，除了基本的瑞利（Rayleigh）波模式外，还可能存在高阶模式，如Sezawa波。Sezawa波在特定厚度/波长（h/λ）比值（称为截止点）以上传播时损耗较低，但在截止点以下会泄漏能量到衬底中，成为泄漏波（Leaky Wave），通常伴随高衰减。然而，近年来的研究表明，在某些材料组合和特定的h/λ范围内，这种截止点以下的泄漏Sezawa波（文中命名为Leaky Sezawa， LS）可能存在一个低损耗区域，同时保持较高的传播速度。
本研究旨在探索一种低成本、高性能的SAW器件解决方案。具体而言，研究团队选择氧化锌（ZnO）压电薄膜沉积在熔融石英（SiO₂）衬底上构成“慢层/快衬底”结构（ZnO剪切波速2829 m/s， SiO₂为3766 m/s）。研究的核心目的是：1）实验验证在ZnO/SiO₂结构中，利用常规光刻技术制作的IDT能否激发并检测到高频、高速度的LS波；2）通过理论模拟（有限元法）深入分析这些波的模式特性（速度、k²、损耗、位移场），并与实验结果对比，确认LS波的存在及其低损耗区域；3）论证利用LS波和分指IDT的谐波操作，可以在不依赖纳米光刻的前提下，实现SAW器件工作频率的显著提升，为制造低成本、高频SAW器件（如谐振器、传感器）提供新的技术路径。
三、 详细研究流程与方法 本研究是一个结合理论模拟、材料制备、器件加工与实验测试的系统性工作，主要包含以下四个紧密衔接的步骤：
1. 理论建模与有限元分析： 在实验之前，研究团队首先利用商业软件COMSOL Multiphysics 6.1进行了二维有限元法（2D-FEM）模拟，以预测和指导实验。模拟针对ZnO/SiO₂异质结构，固定IDT波长λ为80 µm，变化ZnO层厚度h（对应h/λ从约0.023至0.45）。 * 模型构建： 建立了包含空气域、ZnO层（厚度可变）、SiO₂衬底（5λ厚）和完美匹配层（PML，用于吸收 outgoing waves）的单元胞模型。为进行频域分析，还在ZnO表面引入了四个铝电极（厚度0.15 µm，宽度λ/8），并施加周期性边界条件。 * 材料参数： 从COMSOL材料库中选取，并考虑了ZnO的介电损耗（0.01）和机械损耗（0.002），以及SiO₂的各向同性机械损耗（0.01, 0.025, 0.05作为对比参数）。 * 分析内容： * 本征频率研究： 计算不同h/λ下声表面波的相位速度（v = λf）和机电耦合系数k²（通过比较电学自由和短路边界条件下的速度差计算得出）。 * 频域研究： 计算导纳曲线，进而推导波的传播损耗（α），公式为 α = ω / (2Q v_g)，其中品质因子Q从导纳峰的3-dB带宽计算，群速度v_g从相位速度 dispersion 曲线推导。 * 模式识别： 通过分析位移场分量（纵向u和剪切v）的空间分布，区分瑞利波、Sezawa波和LS波的模式特性（如极化方式、能量 confinement 程度）。
2. SAW器件制备： 基于理论指导，研究团队制备了系列SAW延迟线器件。 * 薄膜沉积： 采用射频（RF）磁控溅射技术，在200°C温度下，于熔融石英和硅衬底上同步生长了c轴取向的ZnO压电薄膜。薄膜厚度在1.8 µm至6.6 µm之间（对应h/λ = 0.023 至 0.083），通过扫描电子显微镜（SEM， Zeiss EVO MA10）确认了薄膜厚度、表面形貌（光滑）和柱状结构，并估算了沉积速率（13.3 nm/min）。 * IDT光刻： 采用常规光学光刻技术和剥离工艺，在ZnO薄膜表面制作了铝（Al）IDT。延迟线由一对IDT组成，每个IDT具有80个电极，采用分指（split-finger）配置（这种设计能最小化内部反射，并高效激发三次谐波）。关键设计参数为：电极宽度10 µm，波长λ = 80 µm（因此金属化比为0.5），指条重叠长度1568 µm，两个IDT中心间距为6600 µm。器件最后被固定在印刷电路板（PCB）上，并通过引线键合连接至SMA接头以便测试。
3. 实验测试与数据采集： 对制备的不同ZnO厚度的SAW延迟线器件进行了频率响应测试。 * 测试设备与环境： 使用矢量网络分析仪（DG8SAQ VNWA 3）在受控环境（24°C， 40%湿度）下测量散射参数S21。 * 校准与数据处理： 对VNA进行了全双端口校准（SOLT）。为消除测试夹具和杂散信号的影响，采用了时间门控（time gating）技术：在时域响应中设置门中心于主峰，调整门宽包含所有旁瓣，然后对门控后的数据进行逆变换，得到“理想化”的频率响应曲线。图7展示了在4 µm厚ZnO样品上检测到的六个模式的S21曲线。
4. 数据分析与模式指认： 将实验测量结果与FEM理论预测进行详细对比。 * 速度提取： 从每个观测到的共振峰频率f，根据v_ph = f * λ计算实验相位速度。 * 模式匹配： 将计算出的实验速度值（图3a中的黑点）叠加到FEM理论计算的速度色散曲线上。通过比较频率、速度以及结合S21曲线的形状和插入损耗，将每个实验观测到的峰指认为特定的声波模式（如基波瑞利波、三次谐波瑞利波、九次谐波瑞利波，以及由基波和谐波波长激发的不同阶次的LS波）。 * 损耗评估： 从S21曲线的插入损耗（IL）中，减去因IDT双向性带来的固有6 dB损耗，估算出每波长的传播损耗（IL/nλ），并与FEM计算的损耗色散曲线进行对比，特别是验证LS波在截止点以下是否存在理论预测的低损耗区域。
四、 主要研究结果 研究取得了理论与实验高度吻合的系列结果，系统揭示了ZnO/SiO₂结构中LS波的传播特性。
1. 理论模拟结果： * 速度色散曲线： FEM计算清晰地展示了瑞利波（蓝色实线）、Sezawa波（红色实线）和LS波（红色虚线）的速度随h/λ的变化（图3a）。对于非常薄的膜，只有瑞利波存在。Sezawa/LS波在h/λ ≈ 0.68处存在截止点。在截止点以下（h/λ < 0.68），LS波的速度高于SiO₂衬底的剪切波速（3766 m/s），接近其纵波速度（~5840 m/s），表现出泄漏特性。随着h/λ减小，LS波速度趋近于SiO₂的纵波速度。 * 机电耦合系数k²： 图3b显示，瑞利波的k²随h/λ增加而增大。对于Sezawa/LS波，在截止点以下，其k²并非为零，而是在h/λ ≈ 0.375处达到一个峰值（约3.7%），然后向更薄的膜方向下降。这表明即使在泄漏区域，LS波仍具有可观的 electromechanical coupling。 * 传播损耗α： 图4展示了传播损耗的色散曲线。瑞利波的损耗随h/λ增加而减小（图4a）。对于Sezawa/LS波（图4b），在截止点附近损耗很高，但在远离截止点的更小h/λ区域（图中灰色阴影区），存在一个低损耗区域。在这个区域，LS波的损耗对衬底阻尼因子（tanδ_SiO2）敏感，行为类似于截止点以上的Sezawa波，表明能量泄漏虽然存在，但得到了有效抑制。 * 位移场特征： 模拟显示（图2），瑞利波为椭圆极化，能量集中在表面附近。在h/λ=0.05时，LS波主要表现为纵向极化（u分量远大于v分量），且v分量显著穿透进入SiO₂衬底，证实了其泄漏性质。而在h/λ=1时（远高于截止点），Sezawa波则主要表现为剪切垂直极化。
2. 实验结果与验证： * 多模式激发： 实验成功在ZnO/SiO₂延迟线中观测到了多个清晰的共振峰。如图7所示，对于4 µm厚ZnO样品（h/λ=0.05），在约40.41 MHz、107.75 MHz和292.6 MHz处观测到基波、三次谐波和九次谐波瑞利波；同时在约73.5 MHz、209.70 MHz和479.64 MHz处观测到三个额外的模式。 * 模式指认与速度吻合： 通过频率和波长计算出的这些额外模式的实验速度，被精确地绘制在FEM理论速度色散曲线上（图3a中的黑点）。它们全部落在LS波的预测曲线上，且速度值（~4500-5800 m/s）远高于瑞利波速度（~2800-3400 m/s），几乎是瑞利波的两倍。这明确证实了这些高频模式正是理论预测的泄漏Sezawa波。 * 低损耗区域的存在性证实： 尽管所有测试器件的h/λ值（0.023至0.083）都远小于Sezawa波的截止点（0.68），但观测到的LS波信号幅度足够强，能够被接收IDT清晰检测到。实验测得的每波长插入损耗（扣除6 dB双向性损耗后）对于瑞利波和LS波分别在-0.58至-0.07 dB/λ和-0.64至-0.094 dB/λ范围内。这些值虽然包含转换损耗且器件未优化，但足以证明LS波在实验厚度范围内确实可以低损耗传播，从而实验验证了FEM预测的低损耗区域的存在。
五、 研究结论与价值 本研究通过系统的有限元模拟和实验验证，得出以下核心结论： 1. 在低成本ZnO/熔融石英结构中成功激发并表征了泄漏Sezawa波： 利用常规光刻技术制作的分指IDT，不仅激发了基波和谐波瑞利波，还高效激发了高频的LS波。LS波的相位速度接近SiO₂的纵波速度，可达~5840 m/s。 2. 理论预测与实验证实了LS波在截止点以下存在低损耗传播区域： 这是本研究的关键发现。它打破了对于截止点以下Sezawa波必然高损耗的固有认知，为利用这种高速模式奠定了基础。 3. ZnO/熔融石英体系具有实现高频、低成本SAW器件的巨大潜力： LS波的高速度特性意味着，对于给定的IDT周期（λ=80 µm），其工作频率可比瑞利波提高近一倍（例如，LS波可达~479 MHz，而基波瑞利波仅~40 MHz）。这为实现数百MHz工作频率的SAW器件提供了一条无需纳米光刻的可行路径。
本研究的价值体现在： * 科学价值： 深化了对“慢层/快衬底”结构中泄漏表面波传播机理的理解，特别是对Sezawa波截止点以下低损耗区域的存在条件与特性提供了具体的案例（ZnO/SiO₂）和详细的数据支持。 * 应用价值： * 降低成本： 采用溅射ZnO和熔融石英衬底，材料与工艺成本远低于外延氮化物/金刚石或蓝宝石等体系。 * 提升性能： LS波结合分指IDT的谐波操作，可在不缩小电极尺寸的前提下大幅提升器件工作频率，避免了昂贵的光刻技术。 * 透明与多功能集成潜力： ZnO和熔融石英均为透明材料，使得该技术可用于开发透明电子器件，如应用于平板显示器、智能窗户、太阳能电池集成的紫外传感器、压力传感器等。 * 多频与传感平台： 单一器件结构可同时激发瑞利波和LS波（及其谐波），形成多频率响应，为开发多参数传感平台提供了可能。
六、 研究亮点 1. 重要的发现： 实验证实了在ZnO/熔融石英这一低成本、透明体系中，存在高速度（~2倍于瑞利波）、具有可观k²且可低损耗传播的泄漏Sezawa波，并明确了其存在的h/λ范围。 2. 方法的有效结合： 研究采用了“FEM理论模拟先行指导 - 器件制备 - 实验测试 - 数据对比验证”的完整闭环研究流程。FEM模拟不仅用于预测，还深入分析了模式形状、极化和损耗机制，为实验现象提供了深刻的物理解释。 3. 技术的实用性： 整个器件制备过程基于成熟的射频磁控溅射和常规光学光刻技术，强调了研究成果向产业界转化的可行性和低成本优势。 4. 研究对象的特色： 聚焦于ZnO/熔融石英这一相对传统但被重新审视的材料组合，挖掘其在新型高频、透明SAW器件中的应用潜力，与当前追求高性能低成本器件及透明电子的趋势相契合。
七、 其他有价值的内容 论文在讨论部分（第4节）通过一个表格（表1）综述了其他材料体系（如GaN/蓝宝石、AlN/金刚石、ScAlN/SiC等）中LS波的研究报道，将本研究置于更广阔的学术背景中，突出了ZnO/SiO₂体系在成本、工艺兼容性和透明度方面的独特优势。同时，文章也客观指出了当前器件的插入损耗尚有优化空间（如通过优化IDT设计、采用单向换能器SPUDT或FEUDT、添加调谐电路等），为后续研究指明了方向。