電子科大&中南大學(xué)：研發(fā)大范圍、高線性、快響應(yīng)的納米機(jī)電諧振式氣壓傳感器

近日，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的超高頻諧振式納米氣壓傳感器，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(lèi)器件中暫居。

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10-4 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。