自1965年叉指換能器（IDT）和聲表面波（SAW）技術(shù)被發(fā)明以來，聲表面波諧振器被廣泛應用于2 GHz以下的中、低頻無線通信。隨著無線通信發(fā)展進入5G和6G，標準定義的新頻段均在3 GHz以上，帶寬均在500 MHz以上，這使得傳統(tǒng)的SAW技術(shù)在高頻、高品質(zhì)因數(shù)、高機電耦合系數(shù)等方面遇到了發(fā)展瓶頸。主要的限制在于傳統(tǒng)SAW技術(shù)使用單一的壓電系數(shù)來實現(xiàn)電能與機械能的相互轉(zhuǎn)換。

中國科學技術(shù)大學微電子學院教授左成杰研究團隊在世界上首次提出并實現(xiàn)了新型的耦合剪切模態(tài)聲表面波器件（簡稱X-SAW），利用兩個不同方向的剪切壓電系數(shù)相互耦合，在5 GHz高頻實現(xiàn)了高達34%的機電耦合系數(shù)以及高達650的品質(zhì)因數(shù)。2月23日，相關(guān)研究成果以Coupled Shear SAW Resonator with High Electromechanical Coupling Coefficient of 34% using X-cut LiNbO3-on-SiC Substrate為題，發(fā)表在《IEEE電子器件通信》（IEEE Electron Device Letters）上。審稿人評價這是一項“非凡的成果”。

該研究在X-cutLiNbO3-on-SiC襯底上設計并制備了高頻、高機電耦合系數(shù)、高品質(zhì)因數(shù)的耦合剪切模態(tài)聲表面波（X-SAW）諧振器。通過選擇合適的歐拉角以及設計鈮酸鋰薄膜厚度與叉指電極波長的比值，使得水平和厚度方向的電場同時激勵兩個剪切壓電系數(shù)，并使它們共同作用到一個機械振動模態(tài)中，從而使得機電耦合系數(shù)大幅提升。

該工作實現(xiàn)的一個X-SAW諧振器工作在5GHz，機電耦合系數(shù)高達34%，對應的諧振器優(yōu)值（FoM）達到221。與近10年報道中4 GHz以上的SAW諧振器比較，工作在5GHz和6GHz的兩個X-SAW諧振器FoM值均為世界最高。該研究發(fā)現(xiàn)了在同一個振動模態(tài)中可以耦合兩個或多個不同剪切壓電系數(shù)的可能性，并通過理論分析制定了實現(xiàn)這種耦合剪切模態(tài)的設計準則，為聲學器件領(lǐng)域開辟了全新的研究路徑，有望在大帶寬濾波器、寬帶可調(diào)振蕩器、高靈敏度傳感器等領(lǐng)域打開新的自由度，并將對相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生影響。

研究工作得到國家自然科學基金的資助。

耦合剪切模態(tài)聲表面波（X-SAW）諧振器設計、制備及性能測試：（a）X-SAW諧振器結(jié)構(gòu)示意圖；（b）X-SAW諧振器SEM圖；（c-d）X-SAW諧振器測試曲線及其Q值。

近10年報道中4 GHz以上最具代表性的聲表面波諧振器FoM值