北理工課題組在兩層碳原子賦能超靈敏加速度探測方面取得重要進展
發(fā)布日期：2025-04-10 供稿：前沿交叉科學院 攝影：前沿交叉科學院
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近日，北京理工大學前沿交叉研究院范緒閣教授課題組與中北大學極限環(huán)境光電動態(tài)測試技術與儀器全國重點實驗室張文棟教授合作，在兩層碳原子賦能超靈敏加速度探測方面取得了重要進展。相關研究成果以“Two Layers of Carbon Atoms Enable Ultrasensitive Detection of Acceleration”為題發(fā)表在國際知名期刊《ACS Nano》（中科院與JCR雙一區(qū)，IF：15.8），論文第一作者為北京理工大學丁潔副教授。通訊作者為北京理工大學范緒閣教授。
研究課題組以兩個碳原子層懸浮SiO2/Si質(zhì)量塊作為高靈敏加速度探測敏感結構，兩層碳原子所懸浮的SiO2/Si質(zhì)量塊的重量是兩層碳原子自身重量的3萬倍，所懸浮的SiO2/Si質(zhì)量塊的尺寸最小至10 μm × 10 μm × 16.4 μm。所研制的加速度傳感器原型器件的質(zhì)量塊體積標準化后的靈敏度比傳統(tǒng)硅基加速度傳感器至少高3個數(shù)量級，質(zhì)量塊的體積比傳統(tǒng)硅基加速度傳感器至少低3個數(shù)量級。實驗驗證了兩層碳原子所構成的懸浮石墨烯薄膜存在因諧振導致的顯著增強的電機械耦合壓阻傳感效應，最終導致器件的高靈敏加速度探測。此外，課題組通過建模仿真，對器件進行了進一步的理論分析與研究。
圖1 兩層原子懸浮SiO2/Si質(zhì)量塊加速度敏感結構示意圖、制備工藝流程圖及SEM圖、封裝鍵合及傳感機制示意圖
圖2 制備的石墨烯加速度傳感器的性能測試與比較
圖3 所制備的器件性能比較及封裝后的器件電學掃頻實驗
圖4 未封裝的石墨烯加速度敏感芯片的動態(tài)機械表征及建模仿真
論文詳情：Jie Ding, Hongliang Ma, Chang He, Wendong Zhang, and Xuge Fan*, Two Layers of Carbon Atoms Enable Ultra-sensitive Detection of Acceleration, ACS Nano 2025, 19, 12253?12261.
DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.5c00651
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c00651
本研究受到國家自然科學基金（62171037 與62088101）、北京市自然科學基金 (4232076)、國家自然科學基金優(yōu)秀青年基金（海外）、北京理工大學特立青年學者人才支持計劃啟動項目的資助。
附主要作者簡介：
丁潔，第一作者，北京理工大學集成電路與電子學院副教授，博士畢業(yè)于英國格拉斯哥大學，導師為半導體器件建模與仿真領域國際著名學者Asen Asenov院士。研究方向為傳感器建模仿真、機理與器件，新型半導體器件建模與仿真，CMOS器件、閃存器件的隨機漲落與可靠性研究，設計與工藝協(xié)同優(yōu)化方法（DTCO）。
馬鴻梁，北京理工大學前沿交叉科學研究院在讀博士研究生。
何昶，北京理工大學前沿交叉科學研究院在讀博士研究生。
張文棟，中北大學極限環(huán)境光電動態(tài)測試技術與儀器全國重點實驗室教授、山西省人大教科文衛(wèi)工委副主任。曾任中北大學校長、太原理工大學校長、山西省教育廳廳長、山西省政府副秘書長等。長期從事動態(tài)測試和微米納米技術研究，先后主持完成國家重大科研項目40余項，已發(fā)表學術論文近400篇，出版專著8部，授權國家發(fā)明專利76項。獲得國家科學技術發(fā)明二等獎3項（排名第一2項，第二1項）、三等獎1項、國家科學技術進步二等獎1項、何梁何利基金“科學技術創(chuàng)新獎”、省部級科技進步獎一、二等獎9項、國家教學成果二等獎1項。先后被授予“全國先進工作者”稱號、“國家有突出貢獻的中青年專家”稱號、“全國五一勞動獎”章、“第5屆中國青年科技獎”章等獎勵。研究成果已在國家重大和重點工程得到廣泛應用。
范緒閣，通訊作者，北京理工大學前沿交叉研究院教授，北京理工大學特立青年學者。主要從事微納機電系統(tǒng)（MEMS/NEMS）、微納傳感器、微納加工、石墨烯等敏感薄膜方向的研究。近年來，以一作或通訊在Nature Electronics、Science Advances、Nano Letters、Microsystems & Nanoengineering、Chemical Engineering Journal、Small、Carbon、ACS AMI等國際重要期刊與會議發(fā)表近40篇論文，申請及授權中國發(fā)明專利15項，獲MINE2024優(yōu)秀青年科學家獎。科技部重點研發(fā)計劃指南編制專家組成員及項目評審人，國家自然科學基金委、工業(yè)和信息化部、科技部、中國博士后管理委員會、國家留學基金委等部門的項目評審人。研究方向為微納機電系統(tǒng)（MEMS/NEMS）、微納傳感器、微納加工、石墨烯等敏感薄膜。
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