基于非層狀二維材料β-In2S3的超高頻諧振式氣壓傳感器

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，電子科技大學(xué)王曾暉教授、夏娟研究員團(tuán)隊(duì)與中南大學(xué)周喻教授團(tuán)隊(duì)合作報(bào)道了基于非層狀二維材料β-In2S3的超高頻諧振式氣壓傳感器，實(shí)現(xiàn)了寬量程（從10?3 Torr直至大氣壓）、高線性（非線性程度僅為0.0071）和快響應(yīng)（內(nèi)稟響應(yīng)時(shí)間低于1微秒）的優(yōu)異傳感性能。研究人員還闡明了納米機(jī)電諧振器的頻率設(shè)計(jì)規(guī)律，并成功實(shí)驗(yàn)測(cè)定了材料彈性模量和器件內(nèi)應(yīng)力，為基于二維非層狀材料的新型低維納米器件的晶圓級(jí)設(shè)計(jì)與集成賦能。該成果近日發(fā)表于InfoMat期刊，論文的通訊作者還包括電子科技大學(xué)朱健凱博士（中國(guó)微米納米技術(shù)學(xué)會(huì)首屆優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng)獲得者）。

二維非層狀材料具有應(yīng)用于納米機(jī)電結(jié)構(gòu)中的潛力，并因其獨(dú)特的物理特性和表面活性，有望進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)異的傳感器件。然而，由于納米機(jī)電器件對(duì)于材料穩(wěn)定性和導(dǎo)電性等方面的要求，以及器件制備的難度，這一極具前景的應(yīng)用范式一直未得到探索。近日，該團(tuán)隊(duì)研究人員利用β-In2S3這一具備高載流子遷移率和適中帶隙的二維非層狀半導(dǎo)體，制備了一系列工作頻率在超高頻頻段的納米機(jī)電諧振器，實(shí)現(xiàn)的氣壓傳感性能在同類器件中暫居最優(yōu)。

研究人員利用圓形納米鼓膜（圖1A?C）的動(dòng)態(tài)響應(yīng)考察器件彈性特征。通過(guò)自主設(shè)計(jì)并優(yōu)化的激光干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，有效地表征了納米諧振器的超高頻段頻域動(dòng)態(tài)響應(yīng)（圖1D）。為驗(yàn)證β-In2S3納米諧振器的氣壓傳感性能，研究人員在10?? Torr至大氣壓的寬氣壓范圍內(nèi)不間斷追蹤器件動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并分析了諧振頻率和質(zhì)量因子的調(diào)控機(jī)制。研究表明，諧振頻率隨氣壓增加而線性增長(zhǎng)，響應(yīng)度高達(dá)259.77 ppm/Torr（即每Torr氣壓變化將引入高達(dá)2.328 KHz的頻偏），而非線性程度僅為0.0071，揭示了該傳感器的優(yōu)異響應(yīng)性能（圖1E）。此外，耗散因子隨氣壓增加引入的額外空氣阻尼呈下降趨勢(shì)，理論分析表明該傳感器在大氣壓下的響應(yīng)速度可達(dá)0.95微秒。

圖1 (A?C)二維β-In2S3納米機(jī)電諧振器的(A)結(jié)構(gòu)示意圖、(B)器件顯微圖及(C)電鏡圖；(D)諧振器的基模諧振響應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（藍(lán)線）及模型擬合（紅線）；(E)諧振頻率與耗散因子受腔室氣壓的調(diào)控關(guān)系（部分氣壓范圍）。

研究人員制備并測(cè)試了24個(gè)不同厚度和尺寸的β-In2S3納米諧振器，它們工作頻率遍布8.48 MHz至89.97 MHz的寬頻率范圍（圖2A），并呈現(xiàn)與厚度相關(guān)的耗散機(jī)制（圖2B）。通過(guò)對(duì)諧振器本征頻率的理論分析，研究人員提出了不同器件幾何所對(duì)應(yīng)的器件彈性特征的分區(qū)規(guī)律，并在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上得到驗(yàn)證。該研究還確定了β-In2S3材料的楊氏模量（45 GPa）和內(nèi)建應(yīng)力（約0.5 N/m內(nèi)），為基于二維非層狀材料的新型納米機(jī)電器件的設(shè)計(jì)、分析、調(diào)控和應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

圖2 β-In2S3納米諧振器的性能及頻率設(shè)計(jì)規(guī)律圖。(A)實(shí)測(cè)的基模諧振頻率（散點(diǎn)）及理論分析得到的頻率設(shè)計(jì)規(guī)律（實(shí)線及陰影）；(B)從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中提取的耗散因子（Q）與器件尺寸的關(guān)系圖。

這一成果獲得了國(guó)家杰出青年科學(xué)基金，國(guó)家自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索計(jì)劃，聯(lián)合基金等項(xiàng)目的支持。