微观世界的量尺——石墨烯纳机电系统

封面文章|刘增勇, 曹鸿谦, 徐飞, 陆延青. 石墨烯纳机电系统及其与光纤的集成研究[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(11): 110006

随着材料尺寸向微米级和纳米级缩小,物体的有些宏观特性将发生改变,并会出现一些新的性质。在宏观的世界中,经典的物理学定律基本适用,但在微小尺寸内,不同性质的物质(固、液、热、生、化)互相耦合,宏观世界中某些次要的影响因素可能变得重要;在纳米尺寸下,纳米级结构将产生新效应,如量子效应、界面效应、纳米尺度效应等,对于这些新性质、新效应的深入研究,纳机电系统是关键。

纳机电系统是通过材料在振动过程中的共振频率、噪声和品质因子等信息,研究材料的机电性能和对外界参量的机械响应,如对微小的力和位移进行测量。超导器件约瑟夫森结中电流的震荡、迈克耳逊干涉仪等都可以归结为对微小位移的测量。

石墨烯是一种由碳原子构成的蜂窝状二维材料,具有优异的机电性能,其杨氏模量达到T帕(1012 Pa)量级,导电率也接近金属,同时具有较好的化学稳定性,适用于纳机电系统的研究。

关键

石墨烯纳机电系统最关键的部分为石墨烯薄膜振动的驱动与检测

驱动方式分为光激发和电激发。

光激发通过一束强度周期性变化的激光准直聚焦照射在石墨烯薄膜上,石墨烯周期吸热并收缩、膨胀,从而产生振动,如图 1(a)所示。

电激发借鉴场效应晶体管的结构,在石墨烯的两边分别制备源电极和漏电极,底部衬底为栅电极,加在石墨烯薄膜和栅电极间的电压周期变化,石墨烯周期受到静电力作用产生振动,如图1(b)所示。

检测方式可分为光检测和电检测。

光检测是通过干涉光强变化的幅度检测的。悬空石墨烯薄膜与衬底形成法布里珀罗(FP)腔,信号光经准直聚焦后首先照射到石墨烯薄膜表面,一部分在薄膜表面直接原路反射,另一部分透过石墨烯薄膜照射到底部,经反射后再透过石墨烯原路返回。反射回的两束光由于光程差产生干涉,干涉光强与FP腔腔长有关。而石墨烯振动的幅度等于FP腔腔长变化的幅度,在一个周期内,干涉光强变化的幅度正相关于石墨烯振动的幅度。

电检测的原理为石墨烯的电导跟内应力有关,石墨烯薄膜振动时,其电导也会改变。

此外,还可以利用原子力显微探针与石墨烯相互作用来检测石墨烯的振动。而整个系统的驱动与检测可以全光、也可以全电,还可以混合使用。


图 1 石墨烯纳机电系统。(a)光激发与光检测示意图;(b)电激发与电检测示意图

传感应用

比起其他传感器件,基于纳机电系统的传感器的检测极限更低,空间分辨率也极佳。目前报道的传感应用还是以力和热为主,其中力学传感包括静态质量和动态振动等。

质量传感

由于石墨烯的质量极低,当极微小质量的物体附着在石墨烯表薄膜面时,会产生非常灵敏的响应。

Chen等人在真空腔里蒸发一定质量的并五苯,然后记录蒸发前后石墨烯共振频率的变化。该器件在较大栅压下,质量检测极限达到

Chang等人利用非局部弹性理论研究了附着质量对圆形双层石墨烯共振频率的影响,发现随着附着质量的增加,共振频率和响应灵敏度都在降低,相同质量的物质离石墨烯薄膜中心越远,共振频率越高,同时物质附着在中心时灵敏度达到最大值。

振动传感

由于石墨烯纳机电系统需要在真空中工作,其很难进行通过空气为媒介的力传感,比如声波传感。

Verbiest等巧妙地利用石墨烯薄膜的衬底将超声的作用力传递到石墨烯上,如图2(a)所示,实现了对超声振动幅度的传感,可以达到7 pm的分辨率且超声频率不低于100 MHz。

Jiang等人利用有限元仿真理论研究了垂直作用在石墨烯薄膜上的压力对石墨烯共振频率的影响。发现当压力小于100 kPa的时候,共振频率随压力线性变化;单层石墨烯纳机电系统的压力灵敏度可达26838 Hz/kPa,比传统共振型压力传感器的灵敏度高出两个数量级。


图 2 石墨烯纳机电系统的应用。(a)石墨烯纳机电系统声波探测示意图;(b)石墨烯纳机电系统热辐射探测示意图

热传感

Singh等人研究了单层石墨烯共振频率与温度的关系,发现在30K到300K温度下石墨烯的热膨胀系数为负值,随着温度升高,共振频率降低,且温度越高,频率变化越大。

Blaikie等利用石墨烯薄膜共振频率对温度的敏感特性,制备了快速响应、高灵敏的辐射热计。如图2(b)所示,入射光照射到石墨烯表面产生热量,石墨烯吸热收缩,内应力改变进而改变共振频率,实现了对辐射的传感。被测波长为532nm,灵敏度为52.5 kHz/μW,在室温下实现了 的等效噪声功率,灵敏度比基于电学效应的石墨烯辐射热计高出100倍,同时响应速度也远高于最先进的微辐射热计。

光纤集合

利用光学手段驱动石墨烯纳机电系统时,由于所用的为空间光,所需实验器材较多,同时调试复杂操作困难,给实验增加了难度。而光纤基于全反射的原理,具有优异的导光性能,同时具有可远程操作、抗电磁干扰、尺寸小、耐高温等优点,很适合代替空间光用于石墨烯纳机电系统的研究。

Ma等人首次制备了全光纤的石墨烯纳机电系统。如图3所示,通过湿法转移技术将CVD生长的石墨烯薄膜转移到内径为125μm的陶瓷玻璃套管端面上,然后将端面切平的单模光纤从陶瓷套管另一头插入,使得光纤端面和石墨烯形成FP腔,再用环氧树脂胶将单模光纤与陶瓷套管固定,增强器件的稳定性。利用飞秒激光器修饰悬空石墨烯的形状,形成两端固支梁型的结构。对器件头进行了气压响应的测试,随着气压的降低,共振频率在降低,可以达到 的力检测极限。


图 3 全光纤系统激发与测试石墨烯纳机电系统,插图为陶瓷套管中光纤端面与石墨烯形成的FP腔

Tan等人将石墨烯-光纤端面陶瓷套管结构制成的FP腔用作光学检测部分,将器件放入待测气体的气室中,利用声波泵浦石墨烯振动,再通过信号处理,实现了通过振动幅度值对乙炔气体浓度的传感。厚度100nm直径2.5mm的石墨烯薄膜检测极限达到,归一化噪声等效吸收系数为

Liu等人通过切平端面的光纤熔接玻璃管再转移石墨烯薄膜形成FP腔,再在光纤侧面制备金电极,利用电流产生的热效应改变石墨烯的内应力,实现了对微小电流的传感,该器件结构实现了石墨烯薄膜和光纤的直接集成。

总结

石墨烯纳机电系统对质量、力和热等有着非常灵敏的响应,但是由于其需要在真空环境中工作,在实际应用上还是具有一定的挑战。

可利用石墨烯纳机电系统探测非接触力,如电场力和磁场力,或者将外界参量变化通过一定的媒介传递到石墨烯薄膜上,石墨烯纳机电系统具有独到优势。同时对纳米尺度石墨烯的机电性能的研究也能为未来制备高性能纳米器件打下坚实基础。

全光纤应用在传感领域的优点非常显著,制备全光纤的石墨烯纳机电系统器件,无论从操作难度还是应用场景都具有非常好的前景。但是目前在光纤上的制备工艺相对于平面衬底上的工艺还不够成熟,器件的稳定性与成品率还有待提高。对于应用场景,由于器件需要在真空环境下工作,首先想到的应用场景便是外太空;其次如果将光纤头的器件封装在小型的真空密闭管中,能够提高器件的便携性,甚至能实现日常环境中的使用。相信随着相关研究的推进,其应用范围会越来越广泛。