SCIENCE CHINA Information Sciences：微納機電精密測量中的信號“隱身”與“現身”

近日，電子科技大學的王曾暉課題組與上海交通大學的楊睿課題組聯合報道了在二維納機電器件中實現對激光干涉位移測量響應度的高效柵壓調控。文章在線發表于《中國科學 信息科學》（SCIENCE CHINA Information Sciences）。

微納機電系統（M/NEMS）是帶有機械自由度的微納信息器件，在傳感、射頻信號處理等應用中發揮著重要的作用；而對其微小機械運動的精密測量，是此類器件研究和應用中的重要一環。隨著人們對器件性能的不懈追求，尺度上更微小的微納機電器件不斷在實驗上被實現；與此同時，對其機械運動的精密測量也變得越來越具有挑戰性。特別是基于二維材料構建的各類新型二維納機電系統，其機械運動部分可薄至單層原子，因此實驗研究中的一個關鍵挑戰就是在此類原子級厚度的結構中準確、高效地檢測出極其微小的機械運動。

目前，激光干涉測量技術由于具有非常高的探測效率，被廣泛應用于NEMS系統的機械振動測量。本論文的研究者們長期從事微納機電精密測量研究，此前在薄至單層二維材料的二維納機電諧振器中，利用激光干涉技術成功測量到了器件微小位移的極限—布朗諧振運動（即無外力驅動下，完全由原子熱運動導致的及其微小的熱機械噪聲諧振信號），展示了激光干涉測量的巨大潛力。然而，這樣高效的測量是否在不同的微納機電器件中都能實現？對于給定的器件，如何通過可控、連續的方式來實現測量效率的調制和優化？在強大的激光干涉測量技術面前，器件的機械運動能否做到可控的“隱身”和“現身”？這一系列問題，仍有待進一步探索和闡明。

電子科技大學和上海交通大學的研究者們在《中國科學 信息科學》近期發表的論文“Analyzing electrostatic modulation of signal transduction efficiency in MoS₂?nanoelectromechanical resonators with interferometric readout”中，提出并深入分析了能夠對光學干涉測量的響應率實現高效調控的一種方案。該研究表明，通過靜電作用調控諧振器件中懸浮二維結構與柵極間的間距，能夠實現響應率的有效調控，從0響應率一直連續調節到高響應率。研究者們進一步展示了二維二硫化鉬(MoS₂)鼓膜諧振器在不同的二硫化鉬層數、器件直徑、預應力、初始真空間隙等器件參數下，0響應率所對應的柵級電壓；這意味著在特定條件下，器件的機械運動將對激光干涉技術“隱身”，變得無法測量；而通過進一步操作，利用柵壓將器件結構調控至非0響應率乃至最高響應率的區間，則能夠讓原本“隱身”的器件機械運動再次“現身”。

這些研究成果有助于對利用激光干涉法研究二維納機電系統提供指導，尤其是針對不同結構的器件中，如何利用柵級電壓調控實現機械運動探測的響應率最優化提供重要的思路和參考。

論文的共同第一作者包括電子科技大學博士生朱健凱和上海交通大學博士生張鵬程；王曾暉教授與楊睿教授為共同通訊作者。

《中國科學 信息科學》由中國科學院和國家自然科學基金委員會共同主辦、《中國科學》雜志社出版，入選中國科技期刊卓越行動計劃重點類期刊，在科睿唯安2020年度《期刊引證報告》中位居國際信息科學期刊排名Q1區，是我國出版的在信息科學領域具有國際影響力的科技期刊。

論文鏈接：https://www.sciengine.com/publisher/scp/journal/SCIS/doi/10.1007/s11432-021-3297-x

(a) 納機電器件的結構及激光干涉過程示意圖。 (b) 器件整體反射率與二維材料下真空間隙深度的關系；該曲線斜率為0處即為0響應率點。 (c) 激光干涉測量機械運動的響應率（絕對值）與二維材料下真空間隙深度的關系；其中0響應率點清晰可見。圖片來源及版權：《中國科學 信息科學》及論文作者（轉載請務必保留此版權說明，以免引起版權糾紛及訴訟）

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