石墨烯獨(dú)特的機(jī)械和電學(xué)性能使其成為納米機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）的一種令人興奮的材料。具有石墨烯彈簧的NEMS諧振器有助于研究石墨烯的基本材料特性，從而為傳感器等應(yīng)用提供創(chuàng)新的設(shè)備概念。在這里，我們展示了由雙層石墨烯制成的帶彈簧和由硅制成的驗(yàn)證質(zhì)量的諧振換能器，并通過激光多普勒振動(dòng)測量法研究了它們在空氣和真空中諧振時(shí)的非線性力學(xué)。令人驚訝的是，本研究觀察到共振時(shí)的彈簧硬化和彈簧軟化，這取決于石墨烯彈簧的設(shè)計(jì)。在真空中測量的諧振器的質(zhì)量因子在150和350之間。這些結(jié)果為一類超小型化的納米機(jī)械傳感器（如加速度計(jì)）鋪平了道路，有助于理解基于附驗(yàn)證質(zhì)量的石墨烯帶的換能器的動(dòng)力學(xué)。
圖1. 基于不同石墨烯帶配置的三種類型的諧振器，帶有附加的驗(yàn)證質(zhì)量。（a–c）三種裝置設(shè)計(jì)的3D示意圖：雙帶裝置（a）；四帶交叉裝置（b）；四帶平行裝置（c）。（d–g）器件制造示意圖：將溝槽蝕刻到SOI晶片的氧化硅器件層中，以形成防硅塊（d）；SOI晶片的處理層在檢驗(yàn)塊（e）下方的區(qū)域中被DRIE蝕刻；將雙層石墨烯轉(zhuǎn)移到預(yù)制的SOI襯底上，并通過光學(xué)光刻和O
2等離子體蝕刻將其圖案化為不同的帶狀配置（f）；通過RIE蝕刻SOI襯底的BOX層，隨后通過蒸氣HF蝕刻以釋放檢驗(yàn)質(zhì)量（g）。（h–j）三種類型的石墨烯帶器件的俯視SEM圖像：雙帶器件（器件1）（h）；四帶交叉裝置（裝置2）（i）；以及四帶平行裝置（裝置3）（j）。
圖2. 測量了設(shè)備1-3的頻率響應(yīng)，以及增加壓電振動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電壓的振幅和空氣中的熱機(jī)械噪聲（TMN）測量值（a–c）。裝置1-3的壓電振動(dòng)器施加的驅(qū)動(dòng)電壓（在10 mV和1.5 V之間）相同。
圖3. 在真空（a–c）中，測量設(shè)備1–3的頻率響應(yīng)，以及增加壓電振蕩器驅(qū)動(dòng)電壓的振幅和熱機(jī)械噪聲（TMN）測量值。用于設(shè)備的壓電振動(dòng)器的施加驅(qū)動(dòng)電壓（在10mV和1.5V之間）是相同的。
相關(guān)研究成果由北京理工大學(xué)Xuge Fan、洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Luis Guillermo Villanueva和英國皇家理工學(xué)院Frank Niklaus等人2023年發(fā)表在ACS Applied Nano Materials (翻譯：https://doi.org/10.1021/acsanm.3c03642)上。原文：Resonant Transducers Consisting of Graphene Ribbons with Attached Proof Masses for NEMS Sensors
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
