১. ভূমিকা

উচ্চ তাপমাত্রায় পরিচালিত পিজোইলেকট্রিক MEMS-এর চাহিদা বাড়ছে এমন সব অ্যাপ্লিকেশনে যেখানে চরম তাপীয় পরিস্থিতিতে সরাসরি বৈদ্যুতিক সংবেদন বা অ্যাকচুয়েশন করতে হয়, যার মধ্যে রয়েছে শক্তি রূপান্তর ব্যবস্থা, তেল ও গ্যাস প্রক্রিয়াকরণ, স্বয়ংচালিত ইঞ্জিন এবং মহাকাশযান চালনা। এই ধরনের পরিবেশে, ডিভাইসের তাপমাত্রা প্রায়শই 700 °C অতিক্রম করে, যা প্রচলিত সিলিকন-ভিত্তিক MEMS প্রযুক্তির উপাদানগুলির সীমাবদ্ধতাকে চ্যালেঞ্জ করে।

ঐতিহ্যবাহী MEMS-এর কার্যকরী তাপমাত্রা প্রায়শই কাঠামোগত উপাদানগুলির অবনতি, ধাতুকরণের ব্যর্থতা এবং কার্যকরী স্তর এবং সমর্থনকারী সাবস্ট্রেটের মধ্যে তাপীয় প্রসারণ সহগ (CTE) অমিলের কারণে সৃষ্ট চাপের দ্বারা সীমাবদ্ধ থাকে। যদিও হাইব্রিড MEMS–ফাইবার সিস্টেমগুলি 1000 °C-এর বেশি তাপমাত্রা পর্যন্ত তাদের কার্যকারিতা দেখিয়েছে, তাদের জটিলতা এবং স্কেলেবিলিটির অভাব কমপ্যাক্ট, সমন্বিত সেন্সর প্ল্যাটফর্মের জন্য তাদের উপযুক্ততাকে সীমিত করে।

লিথিয়াম নিওবেট (LN) উচ্চ-তাপমাত্রার পিজোইলেকট্রিক অ্যাপ্লিকেশনের জন্য বেশ কয়েকটি সুবিধা প্রদান করে, যার মধ্যে রয়েছে উচ্চ কুরি তাপমাত্রা (~1200 °C), শক্তিশালী পিজোইলেকট্রিক কাপলিং এবং চমৎকার ইলেক্ট্রো-অপটিক এবং অ্যাকোস্টো-অপটিক বৈশিষ্ট্য। বিশেষ করে, স্টোইচিওমেট্রিক লিথিয়াম নিওবেট (SLN) কংগ্রুয়েন্ট লিথিয়াম নিওবেট (CLN)-এর তুলনায় উচ্চতর তাপীয় স্থিতিশীলতা দেখায়, যা প্রায় 300 °C-এর উপরে লিথিয়াম শূন্যতা এবং ত্রুটি-চালিত অবনতির শিকার হয়। যদিও বাল্ক সাবস্ট্রেটের উপর উচ্চ-তাপমাত্রার LN-ভিত্তিক সারফেস অ্যাকোস্টিক ওয়েভ (SAW) ডিভাইসগুলি ব্যাপকভাবে অধ্যয়ন করা হয়েছে, তবে সাসপেন্ডেড থিন-ফিল্ম LN প্ল্যাটফর্মগুলির তাপীয় টিকে থাকার ক্ষমতা—যা বাল্ক অ্যাকোস্টিক ওয়েভ (BAW) এবং ল্যাম্ব-ওয়েভ ডিভাইসগুলিকে সক্ষম করে—এখনও পর্যন্ত পর্যাপ্তভাবে অনুসন্ধান করা হয়নি।

সাসপেন্ডেড MEMS কাঠামো ইলেক্ট্রোমেকানিক্যাল কাপলিং এবং অ্যাকোস্টিক সীমাবদ্ধতা বাড়ায় তবে চরম পরিস্থিতিতে তাপ-যান্ত্রিক চাপ, ফাটল এবং পতনের জন্য সহজাতভাবে আরও দুর্বল। অতএব, নির্ভরযোগ্য উচ্চ-তাপমাত্রার MEMS-এর বিকাশের জন্য তাদের তাপীয় সীমা বোঝা অপরিহার্য।

২. ডিভাইস ডিজাইন এবং তৈরি

এই কাজে অনুসন্ধান করা ডিভাইসগুলি হল সাসপেন্ডেড থিন-ফিল্ম LN অ্যাকোস্টিক রেজোনেটর যা প্রতিসম ল্যাম্ব ওয়েভ মোড সমর্থন করার জন্য ডিজাইন করা হয়েছে। রেজোনেটরগুলি একটি মাল্টিলেয়ার স্ট্যাকের উপর তৈরি করা হয়েছে যা একটি উচ্চ-রোধ ক্ষমতা সম্পন্ন সিলিকন সাবস্ট্রেট, একটি ত্যাগযোগ্য অ্যামোরফাস সিলিকন স্তর এবং একটি 600 nm পুরু X-কাট স্টোইচিওমেট্রিক LN ফিল্ম নিয়ে গঠিত। X-কাট LN-কে MEMS এবং ফোটোনিক সিস্টেমে এর ব্যাপক ব্যবহার এবং এর অনুকূল ইলেক্ট্রোমেকানিক্যাল বৈশিষ্ট্যের কারণে নির্বাচন করা হয়েছে।

উচ্চ গলনাঙ্ক এবং উচ্চ তাপমাত্রায় রাসায়নিক স্থিতিশীলতার কারণে প্ল্যাটিনামকে ইলেক্ট্রোড উপাদান হিসাবে ব্যবহার করা হয়। তাপীয় চক্রের সময় আঠালোতা উন্নত করতে এবং ধাতুর ডিল্যামিনেশন কমাতে LN এবং Pt-এর মধ্যে একটি পাতলা টাইটানিয়াম আঠালো স্তর স্থাপন করা হয়। রেজোনেটর জ্যামিতির মধ্যে ইন-প্লেন ঘূর্ণন কোণ, অ্যাঙ্কর কনফিগারেশন এবং ইন্টারডিজিটাল ইলেক্ট্রোড বিন্যাসের পরিবর্তনগুলি অন্তর্ভুক্ত করা হয়েছে যাতে একক ডিজাইনের দিকে তাপীয় সহনশীলতার ফলাফলগুলিকে পক্ষপাতদুষ্ট করা যায়।

কার্যকরী রেজোনেটরগুলির পাশাপাশি, অভিন্ন ধাতুকরণ ব্যবহার করে একই সাবস্ট্রেটের উপর সর্পিল ধাতু প্রতিরোধক তৈরি করা হয়। এই কাঠামো অ্যানিলিং তাপমাত্রার একটি ফাংশন হিসাবে ধাতব প্রতিরোধ ক্ষমতা সরাসরি নিরীক্ষণের সুবিধা দেয়, যা ধাতুকরণের অবনতি এবং ডিভাইস পারফরম্যান্সের উপর এর প্রভাব সম্পর্কে ধারণা প্রদান করে।

৩. পরীক্ষামূলক পদ্ধতি

একটি ধাপে ধাপে অ্যানিলিং এবং চরিত্রায়ন প্রোটোকল ব্যবহার করে তাপীয় সহনশীলতা মূল্যায়ন করা হয়। LN-এ পাইজোইলেকট্রিক প্রভাব কমাতে নিয়ন্ত্রিত গরম এবং শীতল করার হার সহ, জারণ কমাতে ভ্যাকুয়াম পরিস্থিতিতে অ্যানিলিং করা হয়। প্রাথমিক অ্যানিলিং তাপমাত্রা 250 °C-এ সেট করা হয়, এর পরে 50 °C-এর তাপমাত্রা বৃদ্ধি সহ পর্যায়ক্রমিক চক্রগুলি অনুসরণ করা হয়। প্রতিটি অ্যানিলিং ধাপ লক্ষ্যযুক্ত তাপমাত্রায় 10 ঘন্টার জন্য রাখা হয়, সর্বোচ্চ তাপমাত্রা বাদে, যেখানে ফার্নেস সীমাবদ্ধতার কারণে কম সময়ের প্রয়োজন হয়।

প্রতিটি অ্যানিলিং চক্রের পরে, কাঠামোগত অখণ্ডতা মূল্যায়ন করার জন্য অপটিক্যাল মাইক্রোস্কোপি ব্যবহার করে ডিভাইসগুলির বৈশিষ্ট্য নির্ধারণ করা হয়, ধাতু প্রতিরোধ ক্ষমতা মূল্যায়ন করার জন্য চার-পয়েন্ট প্রোব পরিমাপ, অনুরণন ফ্রিকোয়েন্সি এবং গুণক (Q) বের করার জন্য রেডিও-ফ্রিকোয়েন্সি (RF) বৈদ্যুতিক পরিমাপ এবং স্ফটিক গুণমান এবং স্ট্রেন বিবর্তন পরীক্ষা করার জন্য এক্স-রে ডিফ্র্যাকশন (XRD) ব্যবহার করা হয়।

৪. ফলাফল এবং আলোচনা

৪.১ কাঠামোগত বিবর্তন

অপটিক্যাল পরিদর্শন প্রায় 400 °C পর্যন্ত সাসপেন্ডেড LN ঝিল্লিতে ন্যূনতম দৃশ্যমান পরিবর্তন প্রকাশ করে। 500 °C-এর বাইরে, সাসপেন্ডেড অঞ্চলে চাপ-প্ররোচিত ফাটল দেখা দিতে শুরু করে, যদিও বেশিরভাগ ডিভাইস যান্ত্রিকভাবে অক্ষত এবং কার্যকরী থাকে। 550 °C পর্যন্ত, ফাটলগুলি সাধারণত অ্যাঙ্করগুলিতে প্রসারিত হয় না বা বিপর্যয়কর পতন ঘটায় না।

600 °C থেকে 750 °C-এর মধ্যে গুরুতর কাঠামোগত অবনতি ঘটে। এই তাপমাত্রা পরিসরে, ফাটল বৃদ্ধি, ঝিল্লি ওয়ার্পিং, LN ডিল্যামিনেশন এবং অ্যাঙ্কর ফ্র্যাকচার পরিলক্ষিত হয়। প্রায় 700 °C-এ, ফাটলগুলি উচ্চ ইন-প্লেন CTE এবং কম ক্লিভেজ শক্তির সাথে যুক্ত স্ফটিক দিক বরাবর অগ্রাধিকারের ভিত্তিতে গঠিত হয়। এই আচরণটি LN এবং সিলিকন সাবস্ট্রেটের মধ্যে বৃহৎ CTE অমিল, X-কাট LN-এর অভ্যন্তরীণ অ্যানিসোট্রপির সাথে মিলিত হওয়ার কারণে হয়েছে।

800 °C-এ, ব্যাপক ধাতুকরণ ক্ষতি এবং অ্যাঙ্কর ব্যর্থতা রেজোনেটরগুলিকে অকার্যকর করে তোলে।

৪.২ ধাতুকরণের অবনতি

ধাতু প্রতিরোধ ক্ষমতা পরিমাপ প্রথম অ্যানিলিং চক্রের পরে প্রতিরোধের প্রাথমিক হ্রাস নির্দেশ করে, সম্ভবত Pt ফিল্মে শস্য বৃদ্ধি এবং ত্রুটি অ্যানিলিং-এর কারণে। যাইহোক, উচ্চ তাপমাত্রায়, প্রতিরোধ ক্ষমতা উল্লেখযোগ্যভাবে বৃদ্ধি পায়, যা ধাতু স্তরে শূন্যতা, হিলো এবং বিচ্ছিন্নতার সংকেত দেয়।

650 °C-এর উপরে, Pt ফিল্মগুলি সুস্পষ্ট অবনতি দেখায়, যার মধ্যে ছিদ্র গঠন এবং বৈদ্যুতিক ধারাবাহিকতার আংশিক ক্ষতি অন্তর্ভুক্ত। এই অবনতি সরাসরি বৈদ্যুতিক ক্ষতি বৃদ্ধি এবং অবশেষে ডিভাইস ব্যর্থতার কারণ হয়, এমনকি যখন LN ঝিল্লি আংশিকভাবে অক্ষত থাকে।

৪.৩ অ্যাকোস্টিক পারফরম্যান্স

RF পরিমাপ দেখায় যে অনুরণন ফ্রিকোয়েন্সিগুলি অ্যানিলিং তাপমাত্রা বৃদ্ধির সাথে ধীরে ধীরে হ্রাস পায়, যা তাপীয়ভাবে প্ররোচিত চাপ শিথিলকরণ এবং কার্যকর স্থিতিস্থাপক ধ্রুবকের পরিবর্তনের সাথে সঙ্গতিপূর্ণ। আকর্ষণীয়ভাবে, উচ্চ-তাপমাত্রার অ্যানিলিং-এর পরে বেশ কয়েকটি অনুরণন মোডের গুণক বৃদ্ধি পায়, বিশেষ করে 700 °C-এর উপরে। এই উন্নতি আংশিকভাবে ফাটলযুক্ত বা চাপ-মুক্ত কাঠামোতে চাপ পুনর্বণ্টন এবং হ্রাসকৃত অ্যাকোস্টিক শক্তি লিক হওয়ার কারণে হয়েছে।

এই স্থানীয় পারফরম্যান্স বৃদ্ধি সত্ত্বেও, ধাতুকরণ ব্যর্থতা এবং অ্যাঙ্কর ভাঙ্গনের কারণে সামগ্রিক ডিভাইস কার্যকারিতা 750 °C-এর বাইরে তীব্রভাবে হ্রাস পায়।

৫. ব্যর্থতার প্রক্রিয়া

এই গবেষণায় চিহ্নিত প্রধান ব্যর্থতার প্রক্রিয়াগুলির মধ্যে রয়েছে:

1. তাপীয় প্রসারণ অমিল LN, ধাতব ইলেক্ট্রোড এবং সিলিকন সাবস্ট্রেটের মধ্যে, যা চাপ জমা এবং ফাটলের দিকে পরিচালিত করে।

2. LN-এর স্ফটিক ক্লিভেজ, বিশেষ করে উচ্চ তাপীয় চাপে কম ফ্র্যাকচার শক্তিযুক্ত প্লেন বরাবর।

3. ধাতুকরণ অস্থিরতা, যার মধ্যে শস্য মোটা হওয়া, শূন্যতা গঠন এবং Pt ফিল্মে পরিবাহিতার ক্ষতি অন্তর্ভুক্ত।

4. অ্যাঙ্কর অবনতি, যা যান্ত্রিক সমর্থন এবং বৈদ্যুতিক ধারাবাহিকতাকে দুর্বল করে।

এই প্রক্রিয়াগুলি একত্রিত হয়ে সাসপেন্ডেড থিন-ফিল্ম LN MEMS-এর চূড়ান্ত তাপীয় সীমা নির্ধারণ করে।

৬. উপসংহার

এই কাজটি প্রমাণ করে যে সাসপেন্ডেড থিন-ফিল্ম লিথিয়াম নিওবেট অ্যাকোস্টিক রেজোনেটরগুলি 750 °C পর্যন্ত অ্যানিলিং তাপমাত্রা সহ্য করতে পারে, যা সম্পূর্ণরূপে MEMS-ভিত্তিক পিজোইলেকট্রিক প্ল্যাটফর্মগুলির জন্য যাচাইকৃত সর্বোচ্চ তাপীয় সহনশীলতা সীমাগুলির মধ্যে একটি। যদিও উচ্চ তাপমাত্রায় উল্লেখযোগ্য অবনতি ঘটে, তবে এই ধরনের চরম পরিস্থিতিতে ডিভাইসের টিকে থাকা এবং আংশিক কার্যকারিতা উচ্চ-তাপমাত্রার MEMS অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য স্টোইচিওমেট্রিক LN-এর দৃঢ়তা তুলে ধরে।

এই গবেষণা থেকে প্রাপ্ত ধারণাগুলি উপাদান নির্বাচন, ধাতুকরণ ডিজাইন এবং কাঠামোগত অপটিমাইজেশনের জন্য ব্যবহারিক নির্দেশিকা প্রদান করে যা সাসপেন্ডেড LN ডিভাইসগুলির কার্যকরী তাপমাত্রা পরিসীমা বাড়ানোর লক্ষ্যে। এই অনুসন্ধানগুলি কঠোর পরিবেশে LN-ভিত্তিক MEMS স্থাপন এবং উচ্চ-তাপমাত্রার ফোটোনিক, ইলেক্ট্রো-অপটিক এবং অ্যাকোস্টো-অপটিক সিস্টেমগুলির অগ্রগতির পথ খুলে দেয়।