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近日，電子科技大學王曾暉教授、夏娟研究員團隊與中南大學周喻教授團隊合作報道了基于非層狀二維材料β-In2S3的超高頻諧振式納米氣壓傳感器，實現了寬量程（從10-3 Torr直至大氣壓）、高線性（非線性程度僅為0.0071）和快響應（內稟響應時間低于1微秒）的優異傳感性能。研究人員還闡明了納米機電諧振器的頻率設計規律，并成功實驗測定了材料彈性模量和器件內應力，為基于二維非層狀材料的新型低維納米器件的晶圓級設計與集成賦能。該成果近日發表于InfoMat期刊，論文的通訊作者還包括電子科技大學朱健凱博士（中國微米納米技術學會首屆優秀博士論文獎獲得者）。
二維非層狀材料具有應用于納米機電結構中的潛力，并因其獨特的物理特性和表面活性，有望進一步實現性能優異的傳感器件。然而，由于納米機電器件對于材料穩定性和導電性等方面的要求，以及器件制備的難度，這一極具前景的應用范式一直未得到探索。近日，該團隊研究人員利用β-In2S3這一具備高載流子遷移率和適中帶隙的二維非層狀半導體，制備了一系列工作頻率在超高頻頻段的納米機電諧振器，實現的氣壓傳感性能在同類器件中暫居最優。
研究人員利用圓形納米鼓膜（圖1A?C）的動態響應考察器件彈性特征。通過自主設計并優化的激光干涉位移測量系統，有效地表征了納米諧振器的超高頻段頻域動態響應（圖1D）。為驗證β-In2S3納米諧振器的氣壓傳感性能，研究人員在10-4 Torr至大氣壓的寬氣壓范圍內不間斷追蹤器件動態響應，并分析了諧振頻率和質量因子的調控機制。研究表明，諧振頻率隨氣壓增加而線性增長，響應度高達259.77 ppm/Torr（即每Torr氣壓變化將引入高達2.328 KHz的頻偏），而非線性程度僅為0.0071，揭示了該傳感器的優異響應性能（圖1E）。此外，耗散因子隨氣壓增加引入的額外空氣阻尼呈下降趨勢，理論分析表明該傳感器在大氣壓下的響應速度可達0.95微秒。
圖1. (A?C)二維β-In2S3納米機電諧振器的(A)結構示意圖、(B)器件顯微圖及(C)電鏡圖；(D)諧振器的基模諧振響應實驗數據（藍線）及模型擬合（紅線）；(E)諧振頻率與耗散因子受腔室氣壓的調控關系（部分氣壓范圍）。
研究人員制備并測試了24個不同厚度和尺寸的β-In2S3納米諧振器，它們工作頻率遍布8.48 MHz至89.97 MHz的寬頻率范圍（圖2A），并呈現與厚度相關的耗散機制（圖2B）。通過對諧振器本征頻率的理論分析，研究人員提出了不同器件幾何所對應的器件彈性特征的分區規律，并在實驗數據上得到驗證。該研究還確定了β-In2S3材料的楊氏模量（45 GPa）和內建應力（約0.5 N/m內），為基于二維非層狀材料的新型納米機電器件的設計、分析、調控和應用提供了堅實的理論基礎。
圖2. β-In2S3納米諧振器的性能及頻率設計規律圖。(A)實測的基模諧振頻率（散點）及理論分析得到的頻率設計規律（實線及陰影）；(B)從實驗數據中提取的耗散因子（Q）與器件尺寸的關系圖。
這一成果獲得了國家杰出青年科學基金，國家自然科學基金原創探索計劃，聯合基金等項目的支持。
論文信息
發布期刊 Information Materials
發布時間 2024年5月19日
文章標題 Broad-range, high-linearity, and fast-response pressure sensing enabled by nanomechanical resonators based on 2D non-layered material: β-In2S3
（https://doi.org/10.1002/inf2.12553）
研究團隊 | 作者
酥魚 | 編輯
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