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)省部共建動態(tài)測試技術(shù)國家重點實驗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)域的國際頂級期刊,、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。課題組報道了不同類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）,。利用激光多普勒測振儀、原子力顯微鏡探針壓痕技術(shù)對石墨烯梁懸浮質(zhì)量塊敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(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)合實驗測試與建模仿真，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)時間等,。2007年報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，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,、測輻射熱計等,。應(yīng)用于加速度或振動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)已有報道。但不同類型的石墨烯梁（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?；瘜W(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,、更長的壽命等潛在優(yōu)勢,。
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,、國家重點研發(fā)計劃項目,、國家自然科學(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)者人才支持計劃啟動項目,、北京理工大學(xué)科技創(chuàng)新計劃等項目的資助,。
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劃傳感器主任稱為“首個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，研究方向為MEMS,、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，研究方向為新型半導(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,，國家杰出青年基金獲得者,，中北大學(xué)省部共建動態(tài)測試技術(shù)國家重點實驗室主任,，獲得國家科學(xué)技術(shù)發(fā)明二等獎3項（排名第一2項，第二1項）,、國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎1項,，何梁何利基金“科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新獎”，研究方向為動態(tài)測試技術(shù)與智能儀器,、微型機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等,。
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