ACS Nano：邁向原子尺度的納米機械諧振器

01【導讀】

人們對實現新型納米機械甚至納米機器人的追求由來已久。科研人員在納米機械器件的研究中投入了巨量的精力，也取得了許多重要的發現。

隨著低維納米材料等多學科領域的蓬勃發展，材料科學家成功制備了各種性能優異的低維納米材料。這些低維納米材料主要包括一維納米線/納米管，和以石墨烯為代表的二維原子層狀材料。同時，借助于精密微細加工技術，機械結構和器件也不斷朝著小型化的極限而發展——并且已經達到了分子甚至原子尺度。特別是人們利用這些一維和二維納米材料天然的維度優勢，成功開發了接近極限尺寸的納米機械諧振器，并且發現了一系列卓越的器件性能，例如超低質量、超寬頻率調諧范圍、寬動態范圍和超低功耗等。這些優點和獨特屬性在基礎研究和工程應用中都扮演了必不可少的角色，對相關領域的發展起到了巨大的推動作用。因此，基于低維納米材料的新型納米機械諧振器也愈發成為引人注目的前沿研究領域。

02【成果掠影】

近日，電子科技大學王曾暉教授、佛羅里達大學Philip X.-L. Feng教授、上海交通大學楊睿教授以及印度科技學院Akshay Naik教授等人聯合發表了綜述論文，對基于一維和二維納米材料的納機電系統 (NEMS) 諧振器的起源、發展和技術迭代歷程提供了全面又詳細的回顧。作者首先介紹材料選擇和基于低維納米材料的器件制備技術，然后介紹了在當下測量環境中測量或讀取此類NEMS諧振器機械諧振信號所面臨的的巨大挑戰和困難（由于低維NEMS諧振器的尺寸特點，使得它們的機械振動幅值往往只有單原子尺寸的級別，極易湮沒在無處不在的背景噪聲中），并由此系統回顧了面對這種挑戰和困難所開發的各類精密激發和檢測技術，同時結合作者們幾十年科研工作經歷和經驗，全面總結并定性+定量的分析了這些方法的使用特點和適用范圍；然后，作者又歸納了各種重要的一維和二維NEMS諧振器的關鍵器件指標，并對每個指標總結了其中較為突出的器件性能參數和器件尺寸，為大家呈現了器件性能發展的歷程，也為進一步提高器件性能提供了重要的線索和路線圖。此外，作者們結合自己開展的相關研究，特別討論了針對NEMS諧振器中的諧振頻率以及品質(Q)因子和阻尼等參數的調控原理和方法，為相關器件指標設計和應用領域提供了重要參考和研究思路。作者還總結和討論了NEMS諧振器中超越簡諧運動的高階復雜動力學過程，例如非線性和模式耦合行為。在應用方面，作者總結了NEMS諧振器在信號傳感、處理和量子實驗等基礎研究中的應用。最后，針對這個充滿活力的領域的挑戰和機遇，作者分享了自己的見解。

相關研究文章以“Nanomechanical Resonators: Toward Atomic Scale”為題發表在ACS Nano上。

03【核心創新點】

作者提供了對NEMS諧振器領域的全面概述和總結，展示了最先進的器件并分析了其性能，并為整個領域的發展進行了深入的思考，提出了明確的建議。

04【數據概覽】

圖一、由多種一維和二維納米材料實現的納米機械諧振器? 2022 ACS Publications

圖二、一維和二維 NEMS諧振器的制造工藝示意圖? 2022 ACS Publications

圖三、納米機械諧振運動的激發和測量技術? 2022 ACS Publications

圖四、碳納米管的結構和納米管諧振器的典型器件幾何形狀? 2022 ACS Publications

圖五、一維 NEMS諧振器的示例? 2022 ACS Publications

圖六、石墨烯NEMS諧振器? 2022 ACS Publications

圖七、石墨烯以外的二維NEMS諧振器? 2022 ACS Publications

圖八、一維 NEMS諧振器中的模態測量? 2022 ACS Publications

圖九、二維 NEMS諧振器中的模態測量? 2022 ACS Publications

圖十、二維諧振器的機械模型? 2022 ACS Publications

圖十一、一維?NEMS諧振器中的頻率調諧? 2022 ACS Publications

圖十二、二維?NEMS諧振器中的頻率調諧? 2022 ACS Publications

圖十三、一維 NEMS諧振器中的品質因數 ? 2022 ACS Publications

圖十四、二維 NEMS諧振器中的品質因數? 2022 ACS Publications

圖十五、一維和二維 NEMS諧振器中的非線性響應和動態范圍? ? 2022 ACS Publications

圖十六、低維諧振器中的模態耦合? 2022 ACS Publications

圖十七、低維NEMS諧振器的質量傳感應用? 2022 ACS Publications

圖十八、低維NEMS諧振器的力傳感應用? 2022 ACS Publications

圖十九、低維NEMS諧振器的其他傳感應用? 2022 ACS Publications

圖二十、用于射頻信號處理的低維NEMS諧振器? 2022 ACS Publications

圖二十一、各類耦合NEMS設備? 2022 ACS Publications

圖二十二、與CMOS電路集成的二維NEMS諧振器的藝術插圖? 2022 ACS Publications

05【成果啟示】

NEMS諧振器未來面臨的挑戰主要包括器件的大規模制造、器件性能的可預測性和更高的一致性、更新的信號讀取方案以及器件結構的進一步小型化。未來的機遇主要集中在設計更高端和更小型化的傳感器、實現其作為邏輯處理單元并與CMOS電路工藝的集成，以及作為面向6G及更先進通訊技術的射頻組件。

原文詳情：Bo Xu,?Pengcheng Zhang,?Jiankai Zhu,?Zuheng Liu,?Alexander Eichler,?Xu-Qian Zheng,?Jaesung Lee,?Aneesh Dash,?Swapnil More,?Song Wu,?Yanan Wang,?Hao Jia,?Akshay Naik*,?Adrian Bachtold,?Rui Yang*,?Philip X.-L. Feng*,?and?Zenghui Wang* Nanomechanical Resonators: Toward Atomic Scale. ACS Nano (2022). https://doi.org/10.1021/acsnano.2c01673.