導讀
聲子晶體(PnC)因其在聲子耗散工程和聲子傳播控制方面的巨大潛力而受到研究人員的廣泛關注。值得注意的是，石墨烯優異的電學和力學效能使其成為一種很有前途的奈米機電諧振器材料。將石墨烯片轉移到預先設計好的週期性機械結構中，可以實現片上規模的PnC。近日，中國科學技術大學的郭國平教授團隊和宋驤驤研究員合作，透過將石墨烯片固定在一個9×9直立的奈米柱陣列上，演示了一個奈米機電週期陣列。該器件具有準連續的頻譜，共振模式分佈從~120MHz到~980MHz。此外，這些模式的諧振頻率可以透過改變施加在下面的柵極電極上的電壓來電調諧。相關成果以“Graphene-Based Nanoelectromechanical Periodic Array with Tunable Frequency”為題於2021年10月6日在頂級期刊《NANO LETTERS》上發表。
文章作者：Qing-Hang Zhang, Yue Ying, Zhuo-Zhi Zhang, Zi-Jia Su, He Ma, Guo-Quan Qin, Xiang-Xiang Song, and Guo-Ping Guo
研究背景
機械系統中的週期結構可以表現出振動帶結構，即人工聲子晶體(PnC)。設計週期結構可以操縱聲子的色散關係，從而影響系統的力學效能。因此，近年來，人們廣泛關注聲子晶體在作為聲子器件各種應用中的巨大潛力，例如，聲子晶體可用於工程機械耗散，以獲得具有超高質量因子的機械諧振器，並被廣泛應用於光電力學研究。聲子晶體使波導聲子和熱管理應用成為可能。此外，聲子晶體和拓撲概念的結合，使得拓撲聲學和力學系統的研究迅速發展。
同時，石墨烯作為最具代表性的二維材料之一，具有優異的電學、光學和力學效能，是實現光(電)機械器件的理想材料。此外，使用柵極電壓可以改變石墨烯薄膜的張力，從而實現諧振頻率的電調諧。儘管人們在基於石墨烯奈米機械諧振器的研究上付出了很多努力，特別是那些具有多種耦合力學模式的奈米機械諧振器，但證明石墨烯基聲子晶體仍然是一項技術挑戰。最近，人們提出了使用石墨烯和其他二維材料來實現聲子晶體，並得到了實驗驗證。然而，這些研究主要集中在光學方法上，而據我們所知，基於二維材料的聲子晶體的電可調性從未得到實驗證明。
創新研究
在本研究中，研究人員開發並演示了一種實現基於石墨烯的奈米機電週期陣列(NEMPA)的方法，該方法是將石墨烯薄片轉移到帶有預先圖案的奈米柱的襯底上，奈米柱固定石墨烯薄片，讓膜的其他部分懸浮。與之前報道的石墨烯奈米機械諧振器不同，該器件顯示了準連續的共振頻譜，且諧振模式分佈範圍極寬(~ 120 MHz至~ 980 MHz)。此外，對柵電極施加電壓，這些模式的共振頻率可以透過電壓進行調節。
圖1(a)為實驗中研究的器件示意圖，在SiO2/Si基底上沉積SiNx層後，採用標準半導體工藝製備出納米柱結構，隨後在SiNx/SiO2層上沉積一層金屬以便透過自對齊工藝製造三個單獨的電極（源極、漏極和柵極），最後將石墨烯轉移到對應的週期性奈米柱陣列上。圖1(b)–1(d)展示了器件的橫截面示意圖和SEM影象。
圖1 (a)石墨烯基奈米機電週期陣列器件的原理圖及測量裝置；器件的橫斷面示圖，沿(c)中的黑色虛線切割；(c)實驗中研究的器件的俯檢視和(d)側視掃描電鏡影象。
器件的實驗表徵在~20mK溫度環境下進行。研究人員使用了一種調頻(FM)混合技術來測量石墨烯基的奈米機電週期陣列的機械諧振，直流電壓Vg施加於柵極，它靜電改變石墨烯中的張力，從而影響器件的諧振頻率。測量的頻譜作為驅動頻率f和柵極電壓Vg的函式如圖2所示。
圖2 (a)實驗測量了ΔImix作為不同柵極電壓Vg下驅動頻率f的函式，(a)中的白色虛線曲線突出了電可調準連續機械模的拋物線形狀；(b)中的資料集從(a)（步長為0.5V）中提取，並透過0.2nA的常量值相互偏移。
圖3 (a)測量的光譜ΔImix作為f和Vg在比圖2a更大的頻率範圍內的函式，頻譜表現出帶狀特徵；圖3b−3g，(a)中放大相應標記的放大
圖4展示了對器件的模擬模擬的結果，首先使用一個無限重複的單胞模型，稱之為“無限模型”，來計算能帶結構。將少層石墨烯薄片建模為一個無限的各向同性薄板，並將其完全固定在週期性奈米柱陣列上。接下來，透過對懸浮石墨烯薄片下的柵極施加直流電壓來模擬靜電對PnC能帶結構的調節效應。
基於實驗引數的模擬結果表明，可以實現一個具有可調頻率的PnC，這可以解釋觀測到的準連續譜。然而，模擬和實驗的主要區別在於實驗中沒有明顯的帶隙，而模擬中顯示出明顯的帶隙。為了解釋這一現象，研究人員考慮了一個有限大小的模型（稱為“有限模型”），如圖4d所示。在實驗中，驅動訊號從一端施加到器件上，並透過器件來驅動機械振動，在器件的另一端檢測到轉導的混合電流，以揭示機械響應。
圖4 (a)利用考慮週期邊界條件的無限模型模擬了聲子能帶結構；(b)分別在Γ， X和M點，選擇本徵頻率分支(標記為(a)中的(i - iv))的單胞的典型模態振型；(c)模擬的本徵頻率作為柵極電壓Vg的函式；(d)一個考慮到邊界的影響的有限模型的示意圖；(e)計算了兩種不同邊界條件下的透射光譜S21。
總結
綜上所述，研究團隊透過將石墨烯薄片固定在預先圖案的9×9奈米柱陣列上，實驗證明了基於石墨烯的奈米機電週期陣列。利用調頻技術對器件的頻譜進行了電錶徵。發現了共振模式準連續分佈在一個很大的頻率範圍內(~120MHz到~980MHz)。透過施加柵極電壓，可以電調諧這些廣泛分佈的機械模式的諧振頻率。透過設計奈米柱陣列的排列以及與柵極電壓的電調諧，該器件結構為操縱聲子能帶結構提供了很大的靈活性。該研究結果為基於二維材料及其異質結構的PnC的研究提供了一個很有意義的平臺，這將有助於片上聲子器件的應用研究。
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.1c01866
