基于石墨烯的可滑動(dòng)納米機(jī)電諧振器

中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在納米機(jī)電諧振器研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)郭國(guó)平、宋驤驤等人與蘇州大學(xué)Joel Moser教授及本源量子計(jì)算有限公司合作，實(shí)現(xiàn)了基于石墨烯的可滑動(dòng)納米機(jī)電諧振器。相關(guān)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(gè)振動(dòng)物體的振動(dòng)性質(zhì)受到其固定方式的影響，這一規(guī)律不僅激勵(lì)人們?cè)诤暧^世界發(fā)明了各式各樣獨(dú)具特色的樂器，也指引人們?cè)谖⒂^尺度上設(shè)計(jì)制備不同類型的力學(xué)諧振器。其中，納米機(jī)電諧振器具有質(zhì)量輕、頻率高、品質(zhì)好、可調(diào)諧等優(yōu)點(diǎn)，在靈敏探測(cè)、信號(hào)傳感、信息處理等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。盡管這些納米機(jī)電諧振器具有不同的形狀和振動(dòng)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(shí)現(xiàn)其他的固定方式，從而對(duì)納米機(jī)電諧振器的力學(xué)性能進(jìn)行調(diào)控，逐漸成為研究者們關(guān)注的問(wèn)題。

作為二維材料的石墨烯，具有原子級(jí)平整的界面，其優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能，使其成為研究納米力學(xué)，制備納米機(jī)電諧振器的理想材料。我校郭國(guó)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(yù)先刻蝕襯底、制備電極再轉(zhuǎn)移石墨烯的納米機(jī)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(dòng)。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)器件諧振頻率隨著柵壓的往返調(diào)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(diào)制。這表明器件諧振頻率不僅依賴于施加?xùn)艍旱拇笮。才c柵壓的施加方式有關(guān)（如圖1）。

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

為了解釋這一新奇實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)提出了可滑動(dòng)納米機(jī)械振子模型：一方面，增加?xùn)艍禾岣吡耸┲械膽?yīng)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(diǎn)處發(fā)生了滑動(dòng)，使懸浮部分長(zhǎng)度增加，降低諧振頻率。這兩種機(jī)制的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致了頻率環(huán)的出現(xiàn)。利用這一模型進(jìn)行理論計(jì)算，研究團(tuán)隊(duì)很好復(fù)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)頻率環(huán)的面積正比于滑動(dòng)過(guò)程中因摩擦所導(dǎo)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(shí)驗(yàn)中測(cè)得的結(jié)果一致。這一結(jié)果表明，可滑動(dòng)納米機(jī)電諧振器可以為納米摩擦力學(xué)研究提供新的研究方法和平臺(tái)（如圖2）。

圖2 (a)利用可滑動(dòng)納米機(jī)械振子模型計(jì)算得到的頻率環(huán)；(b)頻率環(huán)的面積正比于滑動(dòng)過(guò)程中因摩擦所導(dǎo)致的能量損耗。

正如中國(guó)古琴、印度西塔琴、日本三味線等東方樂器一樣，它們獨(dú)特的音色來(lái)源于琴弦振動(dòng)時(shí)固定點(diǎn)的含時(shí)變化。在納米尺度的可滑動(dòng)納米機(jī)電諧振器中，滑動(dòng)所引入的含時(shí)邊界條件將極大豐富器件的振動(dòng)性質(zhì)，提供全新的器件力學(xué)性能調(diào)控手段。這一研究結(jié)果展示了在納米尺度上實(shí)現(xiàn)新型固定方式的可能。

中國(guó)科大中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭國(guó)平教授、宋驤驤特任副研究員、蘇州大學(xué)Joel Moser教授為論文共同通訊作者，中國(guó)科大研究生應(yīng)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(guó)家自然科學(xué)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