应用石墨烯显著增强硅基MEMS和NEMS器件的可调性和功能性
2025-07-10 22:34:48 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员提出了一种通过引入石墨烯来显著增强硅基器件可调性和功能性的方案。研究人员设计并制造了一种由MGS结构组成的MEMS和NEMS器件，该结构基于ETM效应可以实现宽范围调节和驱动的潜力。
硅基MEMS/NEMS器件在传感、开关、驱动和滤波应用中发挥着重要作用，同时在光机械、非线性动力学以及其它物理学领域的基础研究中也扮演着关键角色。在MEMS/NEMS器件上大范围调节机械性能对于多种应用至关重要，例如宽带本征频率调谐、多模式传感、频率稳定和参数驱动等。此外，空间对称性的可编程调节使其可以作为纳米驱动器应用于柔性器件（例如机械开关和纳米机器人等）的形态变化。然而，由于硅基材料的刚性较高，提高现有MEMS/NEMS器件的调节能力一直面临挑战，特别是有利于器件小型化的片上调节结构。
在常见的调节方法中，利用ETM效应的功能结构，已被证明是MEMS/NEMS器件调节动态特性和形貌的有效工具。ETM结构的典型案例为多层Timoshenko梁，即由不同材料组成、涉及弯曲和剪切变形的双层结构，是标准热激活开关的基本构建模块。将片上热调控结构集成到NEMS器件中通常需要复杂的设计和制造技术。利用其优异的机械和电子特性，石墨烯或其它二维材料通常被用作NEMS器件中的功能组件。本文表明，石墨烯（G）与金属（M）引线的超低质量和接触电阻有利于将其用作硅基MEMS/NEMS器件中的片上热调节结构。
据麦姆斯咨询报道，德国康斯坦茨大学、汉堡大学及浙江大学的联合研究团队提出了一种方案，通过引入金属-石墨烯-氮化硅（MGS）混合结构，结合ETM调谐机制来机械变形悬浮氮化硅（SiN）膜谐振器，极大地增强了硅基MEMS/NEMS器件的可调性和功能性。该研究成果已经以“Silicon-based MEMS/NEMS empowered by graphene: a scheme for large tunability and functionality”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
实验方案和概念验证
该方案能够高效地在超宽范围内对机械响应的本征频率和非线性特性进行调控。夹在氮化硅和M电极之间的单层G不仅作为导电通道，同时也是将ETM效应引入SiN-M系统的界面，简化了调节结构的设计。通过利用G的超低质量和高光学透明性，SiN层的许多优异机械（例如低阻尼率）和光学特性得到了很好的保留。此外，G的高电子迁移率使得器件可以在高频下运行。此外，研究人员证明了这种MGS结构器件具有表面振动激励功能，并具有可控的对称性破缺能力。研究人员讨论了ETM驱动机制，并定量验证了MGS谐振器在对称性破缺控制和表面激励方面的优异性能。
动态特性调节的实验验证
由ETM效应驱动的MGS谐振器的非线性动态响应曲线
在本研究中，研究人员提出了一种通过引入石墨烯来显著增强硅基器件可调性和功能性的方案。研究人员设计并制造了一种由MGS结构组成的MEMS/NEMS器件，该结构基于ETM效应可以实现宽范围调节和驱动的潜力。研究人员阐明了MGS结构在不同工作场景下的相应机制和模型。
首先，通过向MGS结构施加直流电压，研究人员可以利用ETM效应控制MEMS/NEMS器件的静态变形，并建立了相应的双层结构模型。这为运动和驱动控制提供了一种直接方法，尤其适用于二维MEMS/NEMS器件。其次，MGS结构对MEMS/NEMS谐振器的动态特性具有显著调节能力。其本征频率可在极宽的范围内调节（超过50%），系统中引入了显著的可控对称性破缺，同时系统的非线性特性也可以调控。第三，通过施加交流电压，可以在无外部激励的情况下实现膜谐振器表面激励。交流调制的ETM效应激发谐振器的振动，甚至进入非线性区域。最后，非线性特性也可以通过对称性破缺进行显著调节。
所开发的MGS结构突破了MEMS/NEMS器件的调节极限，为其驱动应用，尤其是二维非线性谐振器的先进功能提供了新的可能性。其基本工作原理不仅限于此处选择的材料组合，只要膜-电极材料具有足够差异的热膨胀系统，其它材料组合也适用。同理，原则上，石墨烯也可以被替换为另一种具有足够导电性，且能为金属电极提供一定界面电阻的的薄膜材料。关于运动检测，所提出的器件概念可以通过集成片上电检测结构来进一步完善，进而实现完全集成的片上驱动和检测系统，具备更强的微型化和可扩展潜力。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-00960-0
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