電子科技大學Nano Letters：二維微納機電器件中的 精密振動測量和高效頻率調控

近日，電子科技大學的王曾暉、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，并實現了高達230%的對器件諧振頻率的高效調控。成果以“Frequency Scaling, Elastic Transition, and Broad-Range Frequency Tuning in WSe₂?Nanomechanical Resonators”為題發表在學術期刊Nano Letters。

二維材料在實現新型微納機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，使得材料中的應力對外界調控極為敏感，在實現頻率可調的微納機電器件（如壓控振蕩器等）上具有顯著的優勢。然而，雖然這一現象廣為人知，但不同器件參數對這一頻率可調性的影響，以及如何有針對性地優化頻率調控效率等重要問題，仍然缺乏較為系統的研究和總結。

二硒化鎢樣品層數對毫米波/太赫茲頻段層間振動的調控規律

二硒化鎢層數等器件參數（左）及柵壓（右）對兆赫茲頻段層外振動的調控規律

針對這一問題，電子科技大學的研究者制備并測量了幾十個不同尺寸的WSe₂二維微納機電諧振器，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拉曼技術測定了樣品毫米波/太赫茲頻段的層間振動，并利用材料層數對層間振動頻率的調控規律準確判定了薄層樣品的層數；進一步，通過激光干涉測定樣品兆赫茲頻段的層外振動，研究者們為振動頻率與樣品層數之間的關聯建立了完整圖像，并成功地觀測到“薄膜”極限、“硬板”極限，和過渡區域這三個機械區域。在此基礎上，通過對器件振動的動力學方程進行深入分析，研究者們找到了最有利于使用柵壓進行頻率調控的器件參數區域，并成功在此類器件上進行了成功驗證：通過施加僅僅10伏的電壓，就實現了高達230%的振動頻率調制。不僅該頻率調控范圍遠超絕大多數MEMS諧振器，這一壓控頻率調制效率也在二維機電諧振器中創造了新的記錄。這些成果充分體現了本項研究提出的器件參數優化方法的可行性，凸顯了其對設計新一代二維微納機電器件的重要指導意義。

本研究得到了國家自然科學基金原創探索項目（專家推薦類）和區域創新發展聯合基金等項目的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00494