石墨烯獨特的機械和電學性能使其成為納米機電系統（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，從而為傳感器等應用提供創新的設備概念。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證質量的諧振換能器，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。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計。在真空中測量的諧振器的質量因子在150和350之間。這些結果為一類超小型化的納米機械傳感器（如加速度計）鋪平了道路，有助于理解基于附驗證質量的石墨烯帶的換能器的動力學。
圖1. 基于不同石墨烯帶配置的三種類型的諧振器，帶有附加的驗證質量。（a–c）三種裝置設計的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塊（e）下方的區域中被DRIE蝕刻；將雙層石墨烯轉移到預制的SOI襯底上，并通過光學光刻和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蝕刻以釋放檢驗質量（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. 測量了設備1-3的頻率響應，以及增加壓電振動器驅動電壓的振幅和空氣中的熱機械噪聲（TMN）測量值（a–c）。裝置1-3的壓電振動器施加的驅動電壓（在10 mV和1.5 V之間）相同。
圖3. 在真空（a–c）中，測量設備1–3的頻率響應，以及增加壓電振蕩器驅動電壓的振幅和熱機械噪聲（TMN）測量值。用于設備的壓電振動器的施加驅動電壓（在10mV和1.5V之間）是相同的。
相關研究成果由北京理工大學Xuge Fan、洛桑聯邦理工學院Luis Guillermo Villanueva和英國皇家理工學院Frank Niklaus等人2023年發表在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
轉自《石墨烯研究》公眾號
