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2021年10月15日
中国科大在可调纳米机电二维阵列上取得进展

我校郭光灿院士团队在可调纳米机电二维阵列上取得重要进展。该团队郭国平、宋骧骧等人与本源量子计算有限公司合作,设计实现了基于石墨烯的纳米机电二维阵列器件,展示了对呈带状分布的谐振频率的电学调节。相关研究成果近日以“Graphene-Based Nanoelectromechanical Periodic Array with Tunable Frequency”为题,发表于《纳米快报》(Nano Letters)上。

具有周期性阵列结构的纳米机电系统,其机械振动响应在频率上可以展现出带状结构,用以制备声子晶体。声子晶体因其在调控声子耗散及操纵声子传播等方面的巨大潜力,吸引了广泛的研究关注。通过设计合适的声子能带结构,可以大大提高嵌入其中的声学谐振器的品质因子,提升声子寿命。与此同时,声子晶体还可以用于制备声学波导,实现声子传递。对声子晶体的研究,渐渐成为了近年来的热点研究方向之一。然而,对声子能带结构的调控,往往通过设计制备不同几何参数的器件来实现,如何对能带结构进行外场调节,仍然充满挑战。

有鉴于此,我校郭光灿院士团队郭国平教授研究组,利用石墨烯优异的力学和电学性能,设计制备了基于石墨烯的可调纳米机电二维阵列器件。研究组先在衬底上刻蚀得到均匀的周期性柱状阵列,再利用微纳工艺制备电极,最后将合适厚度的石墨烯转移至已制备好的结构上,实现基于石墨烯的纳米机电二维周期阵列器件。通过电学表征的方法,研究人员发现器件在极大频率范围内(∼120 MHz到∼980 MHz)展现出大量准连续的谐振模式,而且频率可以被栅极电压调节,其分布与理论模拟结果吻合。

这一设计可拓展至更多单元,可应用于不同二维材料甚至基于它们的异质结构。采用不同设计的柱状阵列,可以对声子能带结构进行调节,不仅可用于制备不同功能的声学器件,也可用于研究拓扑声学等基本物理现象。该研究结果提供了一种在微纳尺度上,实现电学激发、电学读取、电学调节的声子晶体实验方案,具有高度的加工灵活性,为电学调控声子晶体能带结构提供了可能。

图1:可调纳米机电二维阵列器件及电学可调的准连续谐振模式。

中科院量子信息重点实验室郭国平教授、宋骧骧特任副研究员为论文共同通讯作者,研究生张庆航、应钺为论文共同第一作者。该工作得到了科技部、国家基金委、安徽省的资助。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c01866


(中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部)

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