J. Phys. D: Appl. Phys.: 表面聲波科技在2019年的展望

【引言】

聲子與光子和電子類似，代表了固態材料中的基本激發。在過去的幾十年中，全新設備的創新主要是通過控制電子和光子或磁性和自旋激發來實現的。 最近，聲子重新回到基礎研究和應用研究的焦點，因為控制聲子與電子和光子類似，例如，在新型聲子設備中利用聲能。

許多當前的“聲學”設備采用聲學聲音，這與它們的電磁計數器部件光子具有驚人的類比。剛性材料中的聲音和透明介質中的光都具有線性色散并且僅弱衰減。然而，對于聲波，傳播速度達到每秒幾千米，這比光速慢大約100000倍。微聲學有意利用這些非常不相似的傳播速度：技術上高度相關的射頻（RF）域中的電磁微波器件，從幾兆赫茲到幾千兆赫茲的范圍，由于相應的光波長范圍介于厘米和米之間。使用聲音，這些尺寸可以優雅地縮小100000倍，以適合用于移動通信中的信號處理的小芯片。因此，幾十個聲學RF濾波器是幾乎每個當前（LTE）或未來（5G）無線設備的組成部分。聲表面波（SAW）和體聲波（BAW）也越來越多地應用于生命科學和微流體（聲學流體學）中，用于傳感或混合和處理微量液體，從而導致所謂的“實驗室 - a-chip'（LOC）或微全分析系統（μTAS）。這種縮略圖大小的微流體裝置開始出現并徹底改變醫學中的診斷任務。值得注意的是，所有上述設備都很便宜，有時它們甚至可能被視為消耗品，因為它們是通過最先進的潔凈室技術大規模生產的。除了不斷增加的已經非常實用的應用之外，SAW和BAW非常適合基礎研究以及探測和控制凝聚態物質中的基本激發，即使在單量子極限的情況下也是如此。

【成果簡介】

這篇特刊包含了來自整個領域的專家關于新型傳感器波導調制器，單量子點（QD）結構2D材料壓電材料和混合器件，甚至宏觀量子系統的專題評論和研究文章。在這篇文章中，作者介紹了這些和其他主題中的幾個，并提供了2019年表面聲波科學和技術現狀的概括，并對未來所面臨的挑戰和機遇提出意見。該成果以題為“The 2019 Surface Acoustic Waves Roadmap”發表在J. Phys. D: Appl. Phys.上。

【圖文導讀】

Figure 1.本文涵蓋了SAW研究領域

Figure 2.通過將跨越式量子位的電容形成為叉指式換能器（IDT），可以將超導量子位耦合到SAW

Figure 3.將超導量子置于這些諧振器內并觀察到強相互作用

Figure 4.QO與QA的對應原則總結

Figure 5.QA和SAW研究如何在量子信息科學中提出新的見解的兩個代表性例子

(a)大規模量子模擬

(b)大規模量子網絡

Figure 6.藝術家對聲波輔助的兩個遙遠QD之間單電子傳輸的看法

Figure 7.SAW的應用示意圖

(a)由SAW以900MHz驅動的NV中心的光學邊帶轉換。紅色和藍色邊帶分別對應于聲子的吸收和發射。

(b)由兩個光場驅動的NV中心和通過共振拉曼過程的SAW的示意圖，該過程在Λ型三級系統中結合了邊帶光學過渡。

Figure 8.聲子網絡示意圖

(a)具有交替波導的量子網絡的示意圖，其中允許在ωA和ωB附近傳播，并且對于波導A和B分別禁止接近ωB和ωA。

(b)使用封閉機械子系統的旋轉聲子網絡。 如虛線框所示，任何兩個相鄰節點和它們之間的波導可以形成封閉的子系統。

(c)具有交替的聲子晶體波導和周圍的聲子晶體正方晶格的聲子網絡的機械設計。

Figure 9.單個QD的發射光譜，具有分辨的SAW邊帶

Figure 10.光機械晶體是用于路由或限制納米級光和聲的多功能平臺

Figure 11.由SAW調制的極化微腔（MC）

Figure 12.器件結構及表征

(a)通過由壓電ZnO島上的換能器（IDT）發射的表面聲波（SAW）在GaAs/（Al，Ga）As雙量子阱（DQW）中間接激子（IXs）的聲學傳輸。IXs在半透明頂部電極（STE）和摻雜襯底之間施加的偏壓VBIAS下形成。疊加的PL圖像比較SAW不存在和存在時的發射。插圖：沿z方向的DQW波段圖，顯示直接（DX）和間接（IX）激子躍遷。

(b)通過DQW中的傳導（CB）和價帶（VB）的移動應變調制的IX傳輸。

(c)光譜PL圖像和(d)時間分辨的PL跡線，分別記錄在距離激發激光點500μm和350μm的位置處的傳輸通道上。

Figure 13.單個IXs沿窄通道的聲學傳輸

Figure 14.SAW換能器與腔光機械系統的集成

Figure 15.微波到光學轉換的示意圖

Figure 16.聲學石墨烯晶體管的示意圖

Figure 17.在泵浦脈沖激發下具有SAW場的MoS2薄片的示意圖

Figure 18.共振時的聲驅動磁化動力學

Figure 19.磁性引起的非互易SAW傳播

Figure 20.最先進的SAW RF濾波器，雙工器和1至4多路復用器或四路復用器的封裝尺寸

Figure 21.移動電話前端的結構

Figure 22.簡單的氣體傳感SAW傳感器

Figure 23.聲磁流體操縱

Figure 24.涉及處理分子或納米顆粒的可混溶濃度分布的技術

Figure 25.由SAW和液滴中的液體體積之間的相互作用產生的不同流體致動的示意性橫截面圖示

Figure 26.柔性ZnO/PET SAW器件

Figure 27.使用SAW進行細胞操作的分類應用領域的圖示

Figure 28.PA涂覆的SAW芯片上的B35細胞

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【小結】

表面聲波（SAW）和體聲波已經是工業相關的極少數聲子技術中的兩種。例如，聲學射頻濾波器是無線設備的組成部分。SAW特別適用于生命科學和微流體技術，用于傳感和混合微量液體。除了不斷增加的應用數量之外，SAW還非常適合在單量子激發極限下探測和控制凝聚態物質中的基本激發。這種廣泛，高度多樣化，跨學科和不斷擴展的頻譜完全結合了先進的傳感和操縱應用。值得注意的是，SAW技術本質上是多尺度的，并且從單個原子或納米級單元甚至達到毫米級。本文的目的是提供2019年表面聲波科學和技術現狀的總結，并提供一個關于未來所面臨的挑戰和機遇的意見。

The 2019 Surface Acoustic Waves Roadmap

(J. Phys. D: Appl. Phys., 2019, DOI: 10.1088/1361-6463/ab1b04)

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