北理工課題組在應(yīng)用于納機(jī)電系統(tǒng)的原子層厚度的石墨烯懸浮質(zhì)量塊跨導(dǎo)器制備及特性方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-10-24 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院 攝影：前沿交叉科學(xué)研究院
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10月21日，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院范緒閣教授課題組（微納機(jī)電傳感器與石墨烯課題組）與中北大學(xué)省部共建動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任張文棟教授合作，在石墨烯懸浮質(zhì)量塊NEMS跨導(dǎo)器的研究中取得了重要進(jìn)展。相關(guān)成果以“Four ribbons of double-layer graphene suspending masses for NEMS applications”為題發(fā)表在微納加工與傳感領(lǐng)域的國(guó)際頂級(jí)期刊、Nature旗下合作期刊《Microsystems & Nanoengineering》（中科院SCI期刊分區(qū)一區(qū)）上。該論文第一作者為北京理工大學(xué)范緒閣教授，通訊作者為北京理工大學(xué)范緒閣教授、丁潔副教授及中北大學(xué)張文棟教授。課題組報(bào)道了不同類(lèi)型的雙原子層石墨烯梁懸浮質(zhì)量塊敏感結(jié)構(gòu)，包括雙端梁、四端十字梁、四端平行梁懸浮SiO2/Si質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，質(zhì)量塊尺寸高達(dá)100 × 100 × 16.4 μm3 （圖1）。利用激光多普勒測(cè)振儀、原子力顯微鏡探針壓痕技術(shù)對(duì)石墨烯梁懸浮質(zhì)量塊敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)與靜態(tài)機(jī)械特性表征。比較與分析了不同敏感結(jié)構(gòu)的諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)、彈簧常數(shù)、殘余應(yīng)力。結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試與建模仿真，獲取了雙原子層石墨烯的楊氏模量（0.34 TPa）、斷裂應(yīng)變（1.13%）（圖2、3）。這些研究結(jié)果有利于深入理解石墨烯的機(jī)械特性，促進(jìn)了石墨烯在NEMS領(lǐng)域的應(yīng)用。
圖1 不同類(lèi)型的雙原子層石墨烯懸浮質(zhì)量塊NEMS跨導(dǎo)器原理、工藝及掃描電鏡圖
圖2 不同尺寸的石墨烯十字梁懸浮質(zhì)量塊NEMS跨導(dǎo)器動(dòng)態(tài)機(jī)械特性表征
圖3 石墨烯十字梁懸浮質(zhì)量塊NEMS跨導(dǎo)器靜態(tài)與動(dòng)態(tài)機(jī)械特性表征、建模仿真及雙原子層石墨烯楊氏模量與應(yīng)變獲取
石墨烯具備原子層級(jí)別的厚度、高楊氏模量、高電子遷移速率、良好的柔韌性等，因此其有潛力應(yīng)用于納機(jī)械器件，將降低器件的尺寸、提升靈敏度與響應(yīng)時(shí)間等。2007年報(bào)道的石墨烯諧振器是其在納機(jī)械器件的最早應(yīng)用。近年來(lái)，懸浮石墨烯應(yīng)用于各種氣壓傳感器、諧振器、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、霍爾傳感器、質(zhì)量傳感器、氣體傳感器、測(cè)輻射熱計(jì)等。應(yīng)用于加速度或振動(dòng)傳感器的雙端石墨烯梁與全端石墨烯薄膜懸浮質(zhì)量塊的敏感結(jié)構(gòu)已有報(bào)道。但不同類(lèi)型的石墨烯梁（如四端梁）懸浮質(zhì)量塊敏感結(jié)構(gòu)的幾何尺寸對(duì)諧振頻率、彈簧常數(shù)、品質(zhì)因數(shù)、殘余應(yīng)力等特性的影響尚未被研究，這將最終會(huì)影響器件的應(yīng)用。石墨烯四端梁懸浮質(zhì)量塊敏感結(jié)構(gòu)在石墨烯梁斷裂之前所能承受的最大力尚未被研究；石墨烯梁的斷裂應(yīng)變尚未被揭示；雙原子層堆棧化學(xué)氣相沉積石墨烯的楊氏模量研究尚不充分。
總之，本文研究了三種不同類(lèi)型的石墨烯梁懸浮質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，研究了它們的諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)、彈簧常數(shù)、殘余應(yīng)力等特性，獲取了雙原子層石墨烯的楊氏模量與斷裂應(yīng)變。發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力隨著質(zhì)量塊的增加而降低，四梁結(jié)構(gòu)比雙梁結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力小。四梁結(jié)構(gòu)能承受原子力顯微鏡探針壓痕力高達(dá)5368.5 nN。與雙梁結(jié)構(gòu)相比，四梁結(jié)構(gòu)作為NEMS跨導(dǎo)器應(yīng)用于NEMS器件將具備更大的帶寬、更好的機(jī)械穩(wěn)定性、更長(zhǎng)的壽命等潛在優(yōu)勢(shì)。
論文詳情：Xuge Fan, Chang He, Jie Ding, Sayedeh Shirin Afyouni Akbari, Wendong Zhang, Four ribbons of double-layer graphene suspending masses for NEMS applications, Microsystems & Nanoengineering, 10, 150 (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-024-00799-x
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41378-024-00799-x#article-info
本研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金、XXX技術(shù)領(lǐng)域基金、北京市自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金（海外）、北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者人才支持計(jì)劃啟動(dòng)項(xiàng)目、北京理工大學(xué)科技創(chuàng)新計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
在原子層厚度的石墨烯薄膜懸浮質(zhì)量塊的NEMS跨導(dǎo)器制備、特性表征及器件應(yīng)用方面，范緒閣教授與其合作者先前已經(jīng)做出了系列研究工作，例如，曾突破雙原子層石墨烯懸浮硅質(zhì)量塊跨導(dǎo)器制備工藝關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，開(kāi)發(fā)了與半導(dǎo)體微納加工工藝相兼容的石墨烯納機(jī)電加速度傳感器工藝流程，率先研制出超小尺寸且高靈敏的壓阻式石墨烯納機(jī)電加速度傳感器原型樣機(jī)，質(zhì)量塊體積微縮至20μm×20μm×16.4μm，解決了傳統(tǒng)壓阻式加速度傳感器小型化與高靈敏度固有矛盾。被歐盟石墨烯旗艦計(jì)劃傳感器主任稱(chēng)為“首個(gè)石墨烯加速度傳感器”（“The authors have for the first time realized a graphene accelerometer…”）。相關(guān)研究成果相繼發(fā)表在Nature Electronics, 2 (9), 394–404, 2019；Nano Letters, 19 (10), 6788-6799, 2019; Microsystems & Nanoengineering, 6 (17), 1-17，2020; small, 2201816 (1-7), 2022; Research, 2020, 8748602, 1-25, 2020; Advanced Engineering Materials,24, 2100826(1-7), 2022; ACS Applied Nano Materials, 2024, 7, 1, 102-109；Micromachines 2024, 15(3), 409。具體發(fā)表鏈接如下：
https://doi.org/10.1038/s41928-019-0287-1
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b01759
https://doi.org/10.1038/s41378-019-0128-4
https://doi.org/10.1002/adem.202100826
https://doi.org/10.1002/smll.202201816
https://doi.org/10.34133/2020/8748602
https://doi.org/10.1021/acsanm.3c03642
https://doi.org/10.3390/mi15030409
附作者簡(jiǎn)介：
范緒閣，第一作者、共同通訊作者，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授，研究方向?yàn)镸EMS、NEMS、微納傳感器、石墨烯等敏感薄膜。
何昶，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院在讀博士研究生。
丁潔，共同通訊作者，北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院副教授，研究方向?yàn)樾滦桶雽?dǎo)體器件的建模與仿真、傳感器器件的建模仿真與機(jī)理。
Sayedeh Shirin Afyouni Akbari，洛桑聯(lián)邦理工博士生。
張文棟，共同通訊作者，中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院教授，國(guó)家杰出青年基金獲得者，中北大學(xué)省部共建動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)3項(xiàng)（排名第一2項(xiàng)，第二1項(xiàng)）、國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，何梁何利基金“科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)”，研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)與智能儀器、微型機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等。
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