近日，電子科技大學(xué)的王曾暉、夏娟等合作研究了基于二硒化鎢（WSe2）的二維微納機(jī)電器件，測定了器件中從兆赫茲頻段的層外振動到毫米波/太赫茲頻段的層間振動，并實現(xiàn)了高達(dá)230%的對器件諧振頻率的高效調(diào)控。成果以“Frequency Scaling, Elastic Transition, and Broad-Range Frequency Tuning in WSe2 Nanomechanical Resonators”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Nano Letters。
二維材料在實現(xiàn)新型微納機(jī)電諧振器方面具有獨特的潛力。特別是由于二維材料原子級別的厚度，使得材料中的應(yīng)力對外界調(diào)控極為敏感，在實現(xiàn)頻率可調(diào)的微納機(jī)電器件（如壓控振蕩器等）上具有顯著的優(yōu)勢。然而，雖然這一現(xiàn)象廣為人知，但不同器件參數(shù)對這一頻率可調(diào)性的影響，以及如何有針對性地優(yōu)化頻率調(diào)控效率等重要問題，仍然缺乏較為系統(tǒng)的研究和總結(jié)。
二硒化鎢樣品層數(shù)對毫米波/太赫茲頻段層間振動的調(diào)控規(guī)律
二硒化鎢層數(shù)等器件參數(shù)（左）及柵壓（右）對兆赫茲頻段層外振動的調(diào)控規(guī)律
針對這一問題，電子科技大學(xué)的研究者制備并測量了幾十個不同尺寸的WSe2二維微納機(jī)電諧振器，器件厚度從單層WSe2一直到一百多層不等。研究者們首先用超低波數(shù)拉曼技術(shù)測定了樣品毫米波/太赫茲頻段的層間振動，并利用材料層數(shù)對層間振動頻率的調(diào)控規(guī)律準(zhǔn)確判定了薄層樣品的層數(shù)；進(jìn)一步，通過激光干涉測定樣品兆赫茲頻段的層外振動，研究者們?yōu)檎駝宇l率與樣品層數(shù)之間的關(guān)聯(lián)建立了完整圖像，并成功地觀測到“薄膜”極限、“硬板”極限，和過渡區(qū)域這三個機(jī)械區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，通過對器件振動的動力學(xué)方程進(jìn)行深入分析，研究者們找到了最有利于使用柵壓進(jìn)行頻率調(diào)控的器件參數(shù)區(qū)域，并成功在此類器件上進(jìn)行了成功驗證：通過施加僅僅10伏的電壓，就實現(xiàn)了高達(dá)230%的振動頻率調(diào)制。不僅該頻率調(diào)控范圍遠(yuǎn)超絕大多數(shù)MEMS諧振器，這一壓控頻率調(diào)制效率也在二維機(jī)電諧振器中創(chuàng)造了新的記錄。這些成果充分體現(xiàn)了本項研究提出的器件參數(shù)優(yōu)化方法的可行性，凸顯了其對設(shè)計新一代二維微納機(jī)電器件的重要指導(dǎo)意義。
本研究得到了國家自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索項目（專家推薦類）和區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金等項目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00494
