压电纳米机械谐振器工作在千兆赫兹频率条件下，已经成为量子信息处理和精密传感的极具前景平台，但声子寿命一直局限于微秒量级范围，这广泛归因于压电材料较高的本征损耗。近日，斯坦福大学应用物理系Amir H. Safavi-Naeini教授团队在Nature Nanotechnology上发文，证明了该限制并非材料固有属性。
团队基于近年对铌酸锂缺陷诱导损耗的研究，优化了制备工艺：对离子刻蚀后的表面进行化学修复，并结合阴影掩模金属化工艺，制备出了铌酸锂声子晶体谐振器。在毫开温区、3.6 GHz 下，器件本征声子寿命最高可达 21 ms，对应的品质因子超过 4×10⁸（频率 - 品质因子积f · Q_i > 10¹⁸）。通过系统改变电极与谐振器之间的间距，实验证实测得的声子寿命，取决于器件与测量电路之间的外部耦合，而非材料损耗。
研究表明：只要消除制备工艺带来的表面损伤，铌酸锂可以获得和最优机械材料相当的本征品质，同时保留压电材料本身强机电耦合的特性。
图 1：器件架构和声子寿命测量
图 2：阴影掩模金属化工艺。
图 3：内部品质因数与有效机电耦合。
铌酸锂机电耦合强，但纳米器件的声子寿命过去只有几微秒，这是因为制备工艺带来的表面损伤所致。该实验离子铣会使表面非晶化，形成约10 nm厚、含大量两能级缺陷的损伤层，像“海绵”一样吸收振动；光刻胶还会污染表面。实验先释放器件并化学清洗“修复表面”，再用一张悬空氮化硅薄膜漏印板”最后镀铝电极，避免弄脏。电极离振动区越远，测量电路漏能越少，测得寿命从5微秒升到4.9毫秒；扣除外漏后推断本征可达21毫秒。
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