10月21日，北京理工大学前沿交叉科学研究院范绪阁教授课题组（微纳机电传感器与石墨烯课题组）与中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室主任张文栋教授合作，在石墨烯悬浮质量块NEMS跨导器的研究中取得了重要进展。相关成果以“Four ribbons of double-layer graphene suspending masses for NEMS applications”为题发表在微纳加工与传感领域的国际顶级期刊、Nature旗下合作期刊《Microsystems & Nanoengineering》（中科院SCI期刊分区一区）上。该论文第一作者为北京理工大学范绪阁教授，通讯作者为北京理工大学范绪阁教授、丁洁副教授及中北大学张文栋教授。课题组报道了不同类型的双原子层石墨烯梁悬浮质量块敏感结构，包括双端梁、四端十字梁、四端平行梁悬浮SiO2/Si质量块结构，质量块尺寸高达100 × 100 × 16.4 µm3 （图1）。利用激光多普勒测振仪、原子力显微镜探针压痕技术对石墨烯梁悬浮质量块敏感结构进行动态与静态机械特性表征。比较与分析了不同敏感结构的谐振频率、品质因数、弹簧常数、残余应力。结合实验测试与建模仿真，获取了双原子层石墨烯的杨氏模量（0.34 TPa）、断裂应变（1.13%）（图2、3）。这些研究结果有利于深入理解石墨烯的机械特性，促进了石墨烯在NEMS领域的应用。

图1 不同类型的双原子层石墨烯悬浮质量块NEMS跨导器原理、工艺及扫描电镜图

图2 不同尺寸的石墨烯十字梁悬浮质量块NEMS跨导器动态机械特性表征

图3 石墨烯十字梁悬浮质量块NEMS跨导器静态与动态机械特性表征、建模仿真及双原子层石墨烯杨氏模量与应变获取

石墨烯具备原子层级别的厚度、高杨氏模量、高电子迁移速率、良好的柔韧性等，因此其有潜力应用于纳机械器件，将降低器件的尺寸、提升灵敏度与响应时间等。2007年报道的石墨烯谐振器是其在纳机械器件的最早应用。近年来，悬浮石墨烯应用于各种气压传感器、谐振器、麦克风、扬声器、霍尔传感器、质量传感器、气体传感器、测辐射热计等。应用于加速度或振动传感器的双端石墨烯梁与全端石墨烯薄膜悬浮质量块的敏感结构已有报道。但不同类型的石墨烯梁（如四端梁）悬浮质量块敏感结构的几何尺寸对谐振频率、弹簧常数、品质因数、残余应力等特性的影响尚未被研究，这将最终会影响器件的应用。石墨烯四端梁悬浮质量块敏感结构在石墨烯梁断裂之前所能承受的最大力尚未被研究；石墨烯梁的断裂应变尚未被揭示；双原子层堆栈化学气相沉积石墨烯的杨氏模量研究尚不充分。

总之，本文研究了三种不同类型的石墨烯梁悬浮质量块结构，研究了它们的谐振频率、品质因数、弹簧常数、残余应力等特性，获取了双原子层石墨烯的杨氏模量与断裂应变。发现残余应力随着质量块的增加而降低，四梁结构比双梁结构的残余应力小。四梁结构能承受原子力显微镜探针压痕力高达5368.5 nN。与双梁结构相比，四梁结构作为NEMS跨导器应用于NEMS器件将具备更大的带宽、更好的机械稳定性、更长的寿命等潜在优势。

论文详情：Xuge Fan, Chang He, Jie Ding, Sayedeh Shirin Afyouni Akbari, Wendong Zhang, Four ribbons of double-layer graphene suspending masses for NEMS applications, Microsystems & Nanoengineering, 10, 150 (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41378-024-00799-x

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41378-024-00799-x#article-info

本研究受到国家自然科学基金、XXX技术领域基金、北京市自然科学基金、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金优秀青年基金（海外）、北京理工大学特立青年学者人才支持计划启动项目、北京理工大学科技创新计划等项目的资助。

在原子层厚度的石墨烯薄膜悬浮质量块的NEMS跨导器制备、特性表征及器件应用方面，范绪阁教授与其合作者先前已经做出了系列研究工作，例如，曾突破双原子层石墨烯悬浮硅质量块跨导器制备工艺关键技术瓶颈，开发了与半导体微纳加工工艺相兼容的石墨烯纳机电加速度传感器工艺流程，率先研制出超小尺寸且高灵敏的压阻式石墨烯纳机电加速度传感器原型样机，质量块体积微缩至20µm×20µm×16.4µm，解决了传统压阻式加速度传感器小型化与高灵敏度固有矛盾。被欧盟石墨烯旗舰计划传感器主任称为“首个石墨烯加速度传感器”（“The authors have for the first time realized a graphene accelerometer…”）。相关研究成果相继发表在Nature Electronics, 2 (9), 394–404, 2019；Nano Letters, 19 (10), 6788-6799, 2019; Microsystems & Nanoengineering, 6 (17), 1-17，2020; small, 2201816 (1-7), 2022; Research, 2020, 8748602, 1-25, 2020; Advanced Engineering Materials,24, 2100826(1-7), 2022; ACS Applied Nano Materials, 2024, 7, 1, 102-109；Micromachines 2024, 15(3), 409。具体发表链接如下：

https://doi.org/10.1038/s41928-019-0287-1

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b01759

https://doi.org/10.1038/s41378-019-0128-4

https://doi.org/10.1002/adem.202100826

https://doi.org/10.1002/smll.202201816

https://doi.org/10.34133/2020/8748602

https://doi.org/10.1021/acsanm.3c03642

https://doi.org/10.3390/mi15030409

附作者简介：

范绪阁，第一作者、共同通讯作者，北京理工大学前沿交叉科学研究院教授，研究方向为MEMS、NEMS、微纳传感器、石墨烯等敏感薄膜。

何昶，北京理工大学前沿交叉科学研究院在读博士研究生。

丁洁，共同通讯作者，北京理工大学集成电路与电子学院副教授，研究方向为新型半导体器件的建模与仿真、传感器器件的建模仿真与机理。

Sayedeh Shirin Afyouni Akbari，洛桑联邦理工博士生。

张文栋，共同通讯作者，中北大学仪器与电子学院教授，国家杰出青年基金获得者，中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室主任，获得国家科学技术发明二等奖3项（排名第一2项，第二1项）、国家科学技术进步二等奖1项，何梁何利基金“科学技术创新奖”，研究方向为动态测试技术与智能仪器、微型机电系统（MEMS）等。