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)麥姆斯咨詢報道，電子科技大學王曾暉教授、夏娟研究員團隊與中南大學周喻教授團隊合作報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電諧振器的頻率設(shè)計規(guī)律，并成功實驗測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設(shè)計與集成賦能。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朱健凱博士（中國微米納米技術(shù)學會首屆優(yōu)秀博士論文獎獲得者）。

二維非層狀材料具有應(yīng)用于納米機電結(jié)構(gòu)中的潛力，并因其獨特的物理特性和表面活性，有望進一步實現(xiàn)性能優(yōu)異的傳感器件。然而，由于納米機電器件對于材料穩(wěn)定性和導電性等方面的要求，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，該團隊研究人員利用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體，制備了一系列工作頻率在超高頻頻段的納米機電諧振器，實現(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）的動態(tài)響應(yīng)考察器件彈性特征。通過自主設(shè)計并優(yōu)化的激光干涉位移測量系統(tǒng)，有效地表征了納米諧振器的超高頻段頻域動態(tài)響應(yīng)（圖1D）。為驗證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)不間斷追蹤器件動態(tài)響應(yīng)，并分析了諧振頻率和質(zhì)量因子的調(diào)控機制。研究表明，諧振頻率隨氣壓增加而線性增長，響應(yīng)度高達259.77 ppm/Torr（即每Torr氣壓變化將引入高達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，理論分析表明該傳感器在大氣壓下的響應(yīng)速度可達0.95微秒。

圖1 (A?C)二維β-In2S3納米機電諧振器的(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)實驗數(shù)據(jù)（藍線）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）。

研究人員制備并測試了24個不同厚度和尺寸的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)的耗散機制（圖2B）。通過對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應(yīng)的器件彈性特征的分區(qū)規(guī)律，并在實驗數(shù)據(jù)上得到驗證。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電器件的設(shè)計、分析、調(diào)控和應(yīng)用提供了堅實的理論基礎(chǔ)。

圖2 β-In2S3納米諧振器的性能及頻率設(shè)計規(guī)律圖。(A)實測的基模諧振頻率（散點）及理論分析得到的頻率設(shè)計規(guī)律（實線及陰影）；(B)從實驗數(shù)據(jù)中提取的耗散因子（Q）與器件尺寸的關(guān)系圖。

這一成果獲得了國家杰出青年科學基金，國家自然科學基金原創(chuàng)探索計劃，聯(lián)合基金等項目的支持。