基于石墨烯的可滑動納米機電諧振器

中國科大郭光燦院士團隊在納米機電諧振器研究中取得重要進展。該團隊郭國平、宋驤驤等人與蘇州大學Joel Moser教授及本源量子計算有限公司合作，實現(xiàn)了基于石墨烯的可滑動納米機電諧振器。相關研究成果近日以“Sliding nanomechanical resonators”為題，發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）上。

一個振動物體的振動性質受到其固定方式的影響，這一規(guī)律不僅激勵人們在宏觀世界發(fā)明了各式各樣獨具特色的樂器，也指引人們在微觀尺度上設計制備不同類型的力學諧振器。其中，納米機電諧振器具有質量輕、頻率高、品質好、可調諧等優(yōu)點，在靈敏探測、信號傳感、信息處理等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。盡管這些納米機電諧振器具有不同的形狀和振動模式，但它們通常是被穩(wěn)定的固定在襯底上。隨著研究的深入，能否在納米尺度上實現(xiàn)其他的固定方式，從而對納米機電諧振器的力學性能進行調控，逐漸成為研究者們關注的問題。

作為二維材料的石墨烯，具有原子級平整的界面，其優(yōu)異的力學和電學性能，使其成為研究納米力學，制備納米機電諧振器的理想材料。我校郭國平教授研究組在前期研究工作（Nat. Commun. 9, 383 (2018); PNAS 117, 5582 (2020); Nano Lett. 21, 8571 (2021)）中，發(fā)展出了一套預先刻蝕襯底、制備電極再轉移石墨烯的納米機電諧振器制備方式。在這樣制備的器件中，石墨烯可以在支撐電極上滑動。研究團隊發(fā)現(xiàn)器件諧振頻率隨著柵壓的往返調節(jié)展現(xiàn)出頻率回滯環(huán)，環(huán)的大小可受柵壓變化范圍和掃描速度的調制。這表明器件諧振頻率不僅依賴于施加柵壓的大小，也與柵壓的施加方式有關（如圖1）。

圖1 (a)基于石墨烯的可滑動納米機電諧振器；(b)器件隨著柵壓往返調節(jié)展現(xiàn)出頻率回滯環(huán)。

為了解釋這一新奇實驗結果，研究團隊提出了可滑動納米機械振子模型：一方面，增加柵壓提高了石墨烯中的應力，使諧振頻率上升；另一方面，在柵壓產(chǎn)生的靜電力作用下，石墨烯在固定點處發(fā)生了滑動，使懸浮部分長度增加，降低諧振頻率。這兩種機制的競爭導致了頻率環(huán)的出現(xiàn)。利用這一模型進行理論計算，研究團隊很好復現(xiàn)了實驗結果。進一步，研究團隊發(fā)現(xiàn)頻率環(huán)的面積正比于滑動過程中因摩擦所導致的能量損耗，并據(jù)此估算了石墨烯與電極金屬之間的摩擦耗散，與其他小組在掃描探針實驗中測得的結果一致。這一結果表明，可滑動納米機電諧振器可以為納米摩擦力學研究提供新的研究方法和平臺（如圖2）。

圖2 (a)利用可滑動納米機械振子模型計算得到的頻率環(huán)；(b)頻率環(huán)的面積正比于滑動過程中因摩擦所導致的能量損耗。

正如中國古琴、印度西塔琴、日本三味線等東方樂器一樣，它們獨特的音色來源于琴弦振動時固定點的含時變化。在納米尺度的可滑動納米機電諧振器中，滑動所引入的含時邊界條件將極大豐富器件的振動性質，提供全新的器件力學性能調控手段。這一研究結果展示了在納米尺度上實現(xiàn)新型固定方式的可能。

中國科大中科院量子信息重點實驗室郭國平教授、宋驤驤特任副研究員、蘇州大學Joel Moser教授為論文共同通訊作者，中國科大研究生應鉞、特任副研究員張拙之為論文共同第一作者。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、安徽省的資助。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-34144-5

審核編輯 ：李倩