近日，電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院王曾暉團(tuán)隊(duì)聯(lián)合深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院余快等在Advanced Science發(fā)表題為“Ultrathin-Gold-Resonators-Enabled Bolometers with High Linearity, Responsivity, and Repeatability”的研究論文。論文通訊作者為電子科技大學(xué)王曾暉、朱健凱、徐博，以及深圳大學(xué)余快。電子科技大學(xué)基礎(chǔ)與前沿研究院為第一完成單位。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金原創(chuàng)探索計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

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https://doi.org/10.1002/advs.202521335

近年來，納米級(jí)厚度的超薄金屬薄膜因其區(qū)別于體材料的獨(dú)特光學(xué)與電子特性而備受關(guān)注。得益于其高表面積–體積比以及在超薄尺度下顯現(xiàn)的量子限域效應(yīng)，這類材料（如金薄膜）可呈現(xiàn)可調(diào)的能帶結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)的表面等離激元共振（SPR）響應(yīng)。此外，超薄金屬在保持優(yōu)異電導(dǎo)率的同時(shí)，還具備強(qiáng)光–物質(zhì)耦合能力、較高的光學(xué)透過率、良好的電光調(diào)控能力，以及在單原子層極限下可能出現(xiàn)的超導(dǎo)特性。基于上述優(yōu)勢(shì)，超薄金屬在光電器件、柔性電子和傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

為進(jìn)一步挖掘此類超薄材料的傳感潛力，引入機(jī)械自由度并構(gòu)建納米機(jī)電系統(tǒng)（NEMS）被認(rèn)為是一條有效途徑。這一策略已在低維材料（如石墨烯和碳納米管等）的NEMS傳感器中得到充分驗(yàn)證，在力、質(zhì)量和位移檢測(cè)方面實(shí)現(xiàn)了突破性性能。然而，相較之下，基于超薄金屬的NEMS器件研究仍相對(duì)有限，其潛在的傳感能力尚有待系統(tǒng)探索與深入研究。

本研究采用化學(xué)方法制備了單晶超薄金納米片，并基于此構(gòu)建了二維金納米機(jī)械諧振器，實(shí)現(xiàn)了工作于高頻（HF）和甚高頻（VHF）范圍的納米機(jī)電傳感器。借助光學(xué)干涉測(cè)量系統(tǒng)，本工作清晰解析了器件的共振響應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)了低至數(shù)十fm/Hz1/2量級(jí)的位移測(cè)量靈敏度。在光熱驅(qū)動(dòng)條件下，器件表現(xiàn)出高度線性響應(yīng)（非線性系數(shù)低至 0.0865）、較高的功率–頻率響應(yīng)度（約 ?11.47 ppm·μW?1），并在激光功率從 2.3 μW 至 0.48 mW 的范圍內(nèi)展現(xiàn)出良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。進(jìn)一步地，本研究建立了超薄金 NEMS 的頻率尺度關(guān)系（Frequency Scaling Law），提取出其有效楊氏模量約為 75.6 GPa，預(yù)應(yīng)力范圍為 0.09–0.8 N·m-1，為器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化提供了理論依據(jù)。該工作首次系統(tǒng)展示了基于超薄金納米片的高性能 NEMS 光熱傳感器，揭示了二維金納米結(jié)構(gòu)在高頻納米機(jī)械共振與光電響應(yīng)中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。這一成果不僅深化了對(duì)金納米結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的理解，也為未來金基集成化高性能傳感器、射頻器件及納米機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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