中國科大實現可滑動奈米機電諧振器

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記者10月31日從中國科大獲悉，該校郭光燦院士團隊在奈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，實現了基於石墨烯的可滑動奈米機電諧振器。相關研究成果近日以“Sliding nanomechanical resonators”為題，發表於《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，這一規律不僅激勵人們在宏觀世界發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製備不同型別的力學諧振器。其中，奈米機電諧振器具有質量輕、頻率高、品質好、可調諧等優點，在靈敏探測、訊號感測、資訊處理等領域展現出廣闊的應用前景。儘管這些奈米機電諧振器具有不同的形狀和振動模式，但它們通常是被穩定的固定在襯底上。隨著研究的深入，能否在奈米尺度上實現其他的固定方式，從而對奈米機電諧振器的力學效能進行調控，逐漸成為研究者們關注的問題。

作為二維材料的石墨烯，具有原子級平整的介面，其優異的力學和電學效能，使其成為研究奈米力學，製備奈米機電諧振器的理想材料。該校郭國平教授研究組在前期研究工作（Nat。 Commun。9， 383 （2018）；PNAS117， 5582 （2020）；Nano Lett。21， 8571 （2021））中，發展出了一套預先刻蝕襯底、製備電極再轉移石墨烯的奈米機電諧振器製備方式。在這樣製備的器件中，石墨烯可以在支撐電極上滑動。研究團隊發現器件諧振頻率隨著柵壓的往返調節展現出頻率回滯環，環的大小可受柵壓變化範圍和掃描速度的調製。這表明器件諧振頻率不僅依賴於施加柵壓的大小，也與柵壓的施加方式有關（如圖1）。

圖1。（a）基於石墨烯的可滑動奈米機電諧振器；（b）器件隨著柵壓往返調節展現出頻率回滯環。

為了解釋這一新奇實驗結果，研究團隊提出了可滑動奈米機械振子模型：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，在柵壓產生的靜電力作用下，石墨烯在固定點處發生了滑動，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的出現。利用這一模型進行理論計算，研究團隊很好復現了實驗結果。進一步，研究團隊發現頻率環的面積正比於滑動過程中因摩擦所導致的能量損耗，並據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，可滑動奈米機電諧振器可以為奈米摩擦力學研究提供新的研究方法和平臺（如圖2）。