【优博微展2018】董恺琛：相变式二氧化钒MEMS开关研究

董恺琛：2018年清华大学优秀博士学位论文二等奖获得者

相变式二氧化钒MEMS开关研究

Research on Phase-transition Vanadium Dioxide MEMS Switches

作       者：董恺琛          

指导教师：尤政

培养院系：精密仪器系             

学       科：仪器科学与技术

读博感言：勇气能将梦想变为现实

研究背景/选题意义/研究价值

基于微机电系统（MEMS）技术的开关具有体积小、漏电流低等优点，近年来得到了广泛的关注。随着低电压互补金属氧化物半导体（CMOS）电路的兴起，MEMS开关驱动电压高的问题逐渐成为其集成到CMOS电路中的阻碍。二氧化钒（VO2）具有相变温度略高于室温（67 ℃附近）、相变带来的应变大等优点，因此具有降低MEMS开关驱动电压的潜力。

主要研究内容

优化VO2薄膜的制备工艺，并测量VO2薄膜的残余应力。设计一种VO2微悬臂梁的新结构，借助应力补偿的方法，控制了VO2微悬臂梁的工作曲率。在此基础上，研发出新型相变式VO2 MEMS开关。该开关兼具工作电压低（0.2 V）和工作寿命高（1×106次）的优点，易兼容CMOS电路。此外，结合光学超材料的技术，研发了小尺寸、高调制深度的VO2 MEMS光开关。

VO2 MEMS开关的扫描电镜照片（左）和代表性输出电流—驱动电压/输入电压曲线（右）

VO2 MEMS光开关的扫描电镜照片（左）和代表性反射率—入射光波长曲线（右）

主要创新点

1. 提出一种“跷跷板”曲率控制方法，通过调节结构层的厚度关系控制悬臂梁的曲率，使得VO2 MEMS执行器的悬臂梁工作在水平位置附近。

2. 提出了使用VO2作为机械驱动材料制造MEMS开关的研究方案，并首次在单硅片上制造出了完整的VO2 MEMS开关。实验表明VO2 MEMS开关的驱动电压为0.2 V，工作寿命优于1×106次。该开关的发明解决了现有MEMS开关的高工作寿命和低驱动电压难以两全的难题。

3. 基于VO2 MEMS开关的结构与制造工艺，研制的VO2 MEMS光开关具有高调制深度的特点。

代表性学术发表

1. Kaichen Dong, Sukjoon Hong, Yang Deng, He Ma, Jiachen Li, Xi Wang, Junyeob Yeo, Letian Wang, Shuai Lou, Kyle B. Tom, Kai Liu, Zheng You, Yang Wei, Costas P. Grigoropoulos, Jie Yao, Junqiao Wu. A Lithography-Free and Field-Programmable Photonic Metacanvas [J]. Advanced Materials, 2018, 30: 1703878. 

2. Kaichen Dong, Hwan Sung Choe, Xi Wang, Huili Liu, Bivas Saha, Changhyun Ko, Yang Deng, Kyle B. Tom, Shuai Lou, Letian Wang, Costas P. Grigoropoulos, Zheng You, Jie Yao, Junqiao Wu. A 0.2 V Micro-Electromechanical Switch Enabled by a Phase Transition [J]. Small, 2018, 14: 1703621.

3. Xi Wang*, Kaichen Dong*, Hwan Sung Choe, Huili Liu, Shuai Lou, Kyle B. Tom, Hans A. Bechtel, Zheng You, Junqiao Wu, Jie Yao. Multifunctional Microelectro-Opto-mechanical Platform Based on Phase-Transition Materials [J]. Nano Letters, 2018, 18: 1637-1643.

作者：董恺琛

供图：董恺琛 

编辑：清华大学研究生院 周明坤  吴佳瑛  李文

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