Nanoscale: 具有記憶功能的頻率可調二維納機械諧振器

近日，電子科技大學王曾暉教授、上海交通大學楊睿教授及美國的合作者聯合報道了在二維納機械器件中實現了具有記憶功能的頻率高效調控現象。文章在線發表于Nanoscale。

微納機電諧振器在射頻信號處理等應用中發揮著重要的作用。隨著近年來無線通訊頻段的不斷增加，對射頻信號處理器件也提出了更高的要求：需要其能夠在不同的頻率實現射頻信號處理，從而滿足移動設備多頻段工作的需求。一種解決方案，是針對每一個頻率增加新的射頻器件及相應的電路，但這種方法會使得射頻信號處理芯片的面積隨之成倍增加，也會越來越難以跟上不斷增加的頻段數量。另一種解決方案，是開發具有頻率可調性的射頻器件，能夠根據使用需要迅速在不同的工作頻率切換。諧振頻率可調的機電諧振器就是一個很有前景的方案。

基于二維材料構建的各類新型二維納機械諧振器由于其原子級別的厚度，可以直接通過柵極電壓改變頻率，具有極好的頻率可調性；特別是其頻率調控范圍比常見的硅基微機電諧振器大了一至二個數量級，在前期研究中已經展示出了很好的潛力。然而，通過電壓調控頻率的二維納機電諧振器普遍存在一個問題，就是需要持續不斷地施加電壓，才能保持改變后的頻率。這對于面向未來萬物互聯的超低功耗移動設備非常不利，也制約了二維納機電諧振器優異的頻率可調性在超低功耗無線設備中的應用。

電子科技大學、上海交通大學和美國的研究者們在Nanoscale近期發表的論文“Thermal Hysteresis Controlled Reconfigurable MoS₂?Nanomechanical Resonators”中，提出并實驗驗證了無需維持電壓偏置即能實現頻率調控的一種新方案。這一方案采用了含全封閉微腔的二維二硫化鉬納機械諧振器設計，利用此類器件結構中的頻率熱滯回效應，通過施加熱脈沖來實現對諧振器的頻率調控，可以在不加偏壓的情況下改變諧振器的諧振頻率，并在無任何外部施加的電壓偏置時，使諧振器自行維持在新的諧振頻率工作，實現頻率記憶功能。進一步，研究者們發現通過改變熱脈沖的幅度可以控制諧振頻率的調控范圍，并且可以通過設計不同的熱脈沖序列來實現可編程的、具有記憶功能的諧振器變頻工作模式。

這些研究成果有助于推動新型頻率可調的微納機電諧振器件的探索，為針對未來超低功耗無線應用的新型自維持可調諧振器件提供了重要的思路和參考。

論文鏈接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/nr/d1nr03286k

圖：無需維持電壓偏置實現頻率調控的新方案及實驗驗證。圖片來源及版權：Nanoscale 期刊及論文作者

圖：二維諧振器中的熱滯回效應。圖片來源及版權：Nanoscale 期刊及論文作者

圖：通過設計不同的熱脈沖序列來實現可編程的、具有記憶功能的諧振器變頻工作模式。圖片來源及版權：Nanoscale 期刊及論文作者

本文由作者投稿。