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近日，电子科技大学基础与前沿研究院的王曾晖、夏娟课题组研究了基于二硒化钨（WSe2）的二维微纳机电器件，测定了器件中从兆赫兹频段的层外振动到毫米波/太赫兹频段的层间振动，并实现了高达230%的对器件谐振频率的高效调控。成果以“Frequency Scaling, Elastic Transition, and Broad-Range Frequency Tuning in WSe2 Nanomechanical Resonators”为题发表在学术期刊Nano Letters。电子科技大学基础与前沿研究院为论文第一单位和通讯单位。
二维材料在实现新型微纳机电谐振器方面具有独特的潜力。特别是由于二维材料原子级别的厚度，使得材料中的应力对外界调控极为敏感，在实现频率可调的微纳机电器件（如压控振荡器等）上具有显著的优势。然而，虽然这一现象广为人知，但不同器件参数对这一频率可调性的影响，以及如何有针对性地优化频率调控效率等重要问题，仍然缺乏较为系统的研究和总结。
二硒化钨层数等器件参数（左）及栅压（右）对兆赫兹频段层外振动的调控规律
针对这一问题，该课题组的研究者们制备并测量了几十个不同尺寸的WSe2二维微纳机电谐振器，器件厚度从单层WSe2一直到一百多层不等。研究者们首先用超低波数拉曼技术测定了样品毫米波/太赫兹频段的层间振动，并利用材料层数对层间振动频率的调控规律准确判定了薄层样品的层数；进一步，通过激光干涉测定样品兆赫兹频段的层外振动，研究者们为振动频率与样品层数之间的关联建立了完整图像，并成功地观测到“薄膜”极限、“硬板”极限，和过渡区域这三个机械区域。在此基础上，通过对器件振动的动力学方程进行深入分析，研究者们找到了最有利于使用栅压进行频率调控的器件参数区域，并成功在此类器件上进行了成功验证：通过施加仅仅10伏的电压，就实现了高达230%的振动频率调制。不仅该频率调控范围远超绝大多数MEMS谐振器，这一压控频率调制效率也在二维机电谐振器中创造了新的记录。这些成果充分体现了本项研究提出的器件参数优化方法的可行性，凸显了其对设计新一代二维微纳机电器件的重要指导意义。
在微纳机电器件研究方向，该课题组还与国防科技大学合作，在一款国产MEMS传感器中深入探索了非线性状态下模态耦合带来的独特效应，并基于此成功实现了模拟传感信号的“自放大”与“数字化”，为进一步提升传感器性能提出了新的思路。文章近日以“Nonlinearity-Mediated Digitization and Amplification in Electromechanical Phonon-Cavity Systems” 为题在线发表于Nature Communications。电子科技大学基础与前沿研究院为论文通讯单位。
在二维材料研究中，该课题组也取得了一系列重要成果。针对各向异性的二维材料，王曾晖、夏娟合作提出了一种简单高效的双色偏振反射法，并以此成功测定了二硫化铼（ReS2）这一各向异性二维材料的晶轴方向，成果近期以“Analyzing anisotropy in 2D rhenium disulfide using dichromatic polarized reflectance”为题发表在学术期刊Small；并与国内外合作者联合报道了在二维纳机械器件中实现了具有记忆功能的频率高效调控现象，成果以 “Thermal hysteresis controlled reconfigurable MoS2 nanomechanical resonators” 为题发表在学术期刊Nanoscale。此外，课题组近日在SCIENCE CHINA Information Sciences上发表了综述文章“Recent progress in 2D van der Waals heterostructures: fabrication, properties, and applications”，回顾并展望了二维范德华异质结的材料和器件研究；同时，还在Materials & Design上发表了综述文章“High pressure studies of 2D materials and heterostructures: A review”，回顾了近年来二维材料及其异质结的高压研究进展。这些论文中，电子科技大学基础与前沿研究院均为第一单位和通讯单位。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00494
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29995-x
编辑：林坤 / 审核：林坤 / 发布：陈伟
