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測量法研究了它們在空氣和真空中諧振時的非線性力學(xué)。令人驚訝的是，本研究觀察到共振時的彈簧硬化和彈簧軟化，這取決于石墨烯彈簧的設(shè)計。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）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)，以及增加壓電振動器驅(qū)動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的壓電振動器施加的驅(qū)動電壓（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)備的壓電振動器的施加驅(qū)動電壓（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
