石墨烯独特的机械和电学性能使其成为纳米机电系统（NEMS）的一种令人兴奋的材料。具有石墨烯弹簧的NEMS谐振器有助于研究石墨烯的基本材料特性，从而为传感器等应用提供创新的设备概念。在这里，我们展示了由双层石墨烯制成的带弹簧和由硅制成的验证质量的谐振换能器，并通过激光多普勒振动测量法研究了它们在空气和真空中谐振时的非线性力学。令人惊讶的是，本研究观察到共振时的弹簧硬化和弹簧软化，这取决于石墨烯弹簧的设计。在真空中测量的谐振器的质量因子在150和350之间。这些结果为一类超小型化的纳米机械传感器（如加速度计）铺平了道路，有助于理解基于附验证质量的石墨烯带的换能器的动力学。

 
图1. 基于不同石墨烯带配置的三种类型的谐振器，带有附加的验证质量。（a–c）三种装置设计的3D示意图：双带装置（a）；四带交叉装置（b）；四带平行装置（c）。（d–g）器件制造示意图：将沟槽蚀刻到SOI晶片的氧化硅器件层中，以形成防硅块（d）；SOI晶片的处理层在检验块（e）下方的区域中被DRIE蚀刻；将双层石墨烯转移到预制的SOI衬底上，并通过光学光刻和O₂等离子体蚀刻将其图案化为不同的带状配置（f）；通过RIE蚀刻SOI衬底的BOX层，随后通过蒸气HF蚀刻以释放检验质量（g）。（h–j）三种类型的石墨烯带器件的俯视SEM图像：双带器件（器件1）（h）；四带交叉装置（装置2）（i）；以及四带平行装置（装置3）（j）。

 
图2. 测量了设备1-3的频率响应，以及增加压电振动器驱动电压的振幅和空气中的热机械噪声（TMN）测量值（a–c）。装置1-3的压电振动器施加的驱动电压（在10 mV和1.5 V之间）相同。

 
图3. 在真空（a–c）中，测量设备1–3的频率响应，以及增加压电振荡器驱动电压的振幅和热机械噪声（TMN）测量值。用于设备的压电振动器的施加驱动电压（在10mV和1.5V之间）是相同的。
 
       相关研究成果由北京理工大学Xuge Fan、洛桑联邦理工学院Luis Guillermo Villanueva和英国皇家理工学院Frank Niklaus等人2023年发表在ACS Applied Nano Materials (翻译：https://doi.org/10.1021/acsanm.3c03642)上。原文：Resonant Transducers Consisting of Graphene Ribbons with Attached Proof Masses for NEMS Sensors

转自《石墨烯研究》公众号