電子科大ACS Nano：工作在甚高頻的MXene納米機電諧振器和傳感器

近日，電子科技大學王曾暉團隊與肖旭團隊合作報道了基于MXene材料Ti₃C₂T_x二維晶體的納米機電諧振器，成功測定了此類二維材料的彈性模量，闡明了此類器件的頻率設計及調控規律，并展示了其作為真空壓強傳感器的應用潛力。論文以Electrically Tunable MXene Nanomechanical Resonators Vibrating at Very High Frequencies為題發表于學術期刊ACS Nano。

【成果簡介】

過渡金屬炭氮氧化物（MXene）是一類已被廣泛應用于儲能、催化等領域的二維無機化合物。其中，Ti₃C₂T_x是最早被制備和研究的MXene材料之一，對其各類材料性質和應用已有很多研究。目前，在絕大多數MXene器件研究中，MXene材料都是以薄膜或者材料添加物的形態出現；在少數涉及二維晶體的器件研究中，MXene也是作為導電材料，用于和其他的二維半導體實現電學接觸。相比之下，基于二維MXene晶體的器件研究則少得多，而同時發掘MXene晶體中多項材料特性（如電學+力學）的器件研究則更為罕見。

針對這一現狀，電子科技大學的研究者們探索并實現了基于二維MXene晶體的納米機電諧振器，利用材料的導電特性首次同時實現了此類器件的諧振激勵和頻率調控，并通過力學分析成功測定了二維Ti₃C₂T_x晶體的彈性模量。研究者們從調整材料合成方法和材料形貌出發，有針對性地改進了傳統二維納機電諧振器的制備方法，成功實現了厚度從多層（>50）到少層再一直到單層的MXene納米機電諧振器制備。基于自主搭建的二維微納機電諧振器精密測量系統，研究者們大幅優化了信號耦合途徑，利用光學干涉的方法成功觀測到了二維Ti₃C₂T_x納機電諧振器在受布朗熱運動激勵下自發產生的熱機械振動，清晰地檢測到了幅度低達52 fm/√Hz的振動信號。在此基礎上，研究者們分別通過光熱效應和靜電力驅動實現了對二維Ti₃C₂T_x機電諧振器的激勵，并測定其諧振響應，發現此類器件的基頻諧振頻率可高達甚高頻（VHF）頻段。

【圖文導讀】

二維MXene晶體結構及納米機電諧振器結構示意圖和器件顯微照片。來源及版權：ACS Nano及論文作者

二維MXene納米機電諧振器的形貌表征及諧振特性。來源及版權：ACS Nano及論文作者

二維MXene納米機電諧振器的諧振頻率及品質因數分布。來源及版權：ACS Nano及論文作者

進一步，研究者們對二維Ti₃C₂T_x納米機電諧振器諧振頻率受氣壓調控的變化規律進行了探索，驗證了此類器件作為真空環境下壓強傳感器的可行性，并實現了高達736%/Torr的壓強響應度和低至1.65×10^-4?Torr的工作壓強下限。此外，為了深入探索二維Ti₃C₂T_x的機械特性，研究者通過大量測試不同尺寸的器件，建立起了器件基模諧振頻率與直徑、厚度的完整關系，進而確定了Ti₃C₂T_x材料的楊氏模量范圍（270~360 GPa），闡明了二維Ti₃C₂T_x諧振器的頻率設計規律，為后續二維Ti₃C₂T_x機電器件設計提供了有力參考。

本研究得到了國家自然科學基金原創探索項目、聯合基金重點項目、面上項目、青年基金等項目的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c05742?