北理工課題組在應用于納機電系統(tǒng)的原子層厚度的石墨烯懸浮質(zhì)量塊跨導器制備及特性方面取得重要進展
發(fā)布日期：2024-10-24 供稿：前沿交叉科學研究院 攝影：前沿交叉科學研究院
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10月21日，北京理工大學前沿交叉科學研究院范緒閣教授課題組（微納機電傳感器與石墨烯課題組）與中北大學省部共建動態(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跨導器的研究中取得了重要進展。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范緒閣教授，通訊作者為北京理工大學范緒閣教授、丁潔副教授及中北大學張文棟教授。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)進行動態(tài)與靜態(tài)機械特性表征。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械特性，促進了石墨烯在NEMS領(lǐng)域的應用。
圖1 不同類型的雙原子層石墨烯懸浮質(zhì)量塊NEMS跨導器原理、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跨導器動態(tài)機械特性表征
圖3 石墨烯十字梁懸浮質(zhì)量塊NEMS跨導器靜態(tài)與動態(tài)機械特性表征、建模仿真及雙原子層石墨烯楊氏模量與應變獲取
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，因此其有潛力應用于納機械器件，將降低器件的尺寸、提升靈敏度與響應時間等。2007年報道的石墨烯諧振器是其在納機械器件的最早應用。近年來，懸浮石墨烯應用于各種氣壓傳感器、諧振器、麥克風、揚聲器、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)、殘余應力等特性的影響尚未被研究，這將最終會影響器件的應用。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；石墨烯梁的斷裂應變尚未被揭示；雙原子層堆棧化學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)、殘余應力等特性，獲取了雙原子層石墨烯的楊氏模量與斷裂應變。發(fā)現(xiàn)殘余應力隨著質(zhì)量塊的增加而降低，四梁結(jié)構(gòu)比雙梁結(jié)構(gòu)的殘余應力小。四梁結(jié)構(gòu)能承受原子力顯微鏡探針壓痕力高達5368.5 nN。與雙梁結(jié)構(gòu)相比，四梁結(jié)構(gòu)作為NEMS跨導器應用于NEMS器件將具備更大的帶寬、更好的機械穩(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基金、XXX技術(shù)領(lǐng)域基金、北京市自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃項目、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、北京理工大學科技創(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跨導器制備、特性表征及器件應用方面，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)量塊跨導器制備工藝關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，開發(fā)了與半導體微納加工工藝相兼容的石墨烯納機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電加速度傳感器原型樣機，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，北京理工大學前沿交叉科學研究院教授，研究方向為MEMS、NEMS、微納傳感器、石墨烯等敏感薄膜。
何昶，北京理工大學前沿交叉科學研究院在讀博士研究生。
丁潔，共同通訊作者，北京理工大學集成電路與電子學院副教授，研究方向為新型半導體器件的建模與仿真、傳感器器件的建模仿真與機理。
Sayedeh Shirin Afyouni Akbari，洛桑聯(lián)邦理工博士生。
張文棟，共同通訊作者，中北大學儀器與電子學院教授，國家杰出青年基金獲得者，中北大學省部共建動態(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）、國家科學技術(shù)進步二等獎1項，何梁何利基金“科學技術(shù)創(chuàng)新獎”，研究方向為動態(tài)測試技術(shù)與智能儀器、微型機電系統(tǒng)（MEMS）等。
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