微觀世界的量尺——石墨烯納機電系統

封面文章|劉增勇, 曹鴻謙, 徐飛, 陸延青. 石墨烯納機電系統及其與光纖的集成研究[J]. 激光與光電子學進展, 2019, 56(11): 110006

隨著材料尺寸向微米級和納米級縮小,物體的有些宏觀特性將發生改變,并會出現一些新的性質。在宏觀的世界中,經典的物理學定律基本適用,但在微小尺寸內,不同性質的物質(固、液、熱、生、化)互相耦合,宏觀世界中某些次要的影響因素可能變得重要;在納米尺寸下,納米級結構將產生新效應,如量子效應、界面效應、納米尺度效應等,對于這些新性質、新效應的深入研究,納機電系統是關鍵。

納機電系統是通過材料在振動過程中的共振頻率、噪聲和品質因子等信息,研究材料的機電性能和對外界參量的機械響應,如對微小的力和位移進行測量。超導器件約瑟夫森結中電流的震蕩、邁克耳遜干涉儀等都可以歸結為對微小位移的測量。

石墨烯是一種由碳原子構成的蜂窩狀二維材料,具有優異的機電性能,其楊氏模量達到T帕(1012 Pa)量級,導電率也接近金屬,同時具有較好的化學穩定性,適用于納機電系統的研究。

關鍵

石墨烯納機電系統最關鍵的部分為石墨烯薄膜振動的驅動與檢測。

驅動方式分為光激發和電激發。

光激發通過一束強度周期性變化的激光準直聚焦照射在石墨烯薄膜上,石墨烯周期吸熱并收縮、膨脹,從而產生振動,如圖 1(a)所示。

電激發借鑒場效應晶體管的結構,在石墨烯的兩邊分別制備源電極和漏電極,底部襯底為柵電極,加在石墨烯薄膜和柵電極間的電壓周期變化,石墨烯周期受到靜電力作用產生振動,如圖1(b)所示。

檢測方式可分為光檢測和電檢測。

光檢測是通過干涉光強變化的幅度檢測的。懸空石墨烯薄膜與襯底形成法布里珀羅(FP)腔,信號光經準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,另一部分透過石墨烯薄膜照射到底部,經反射后再透過石墨烯原路返回。反射回的兩束光由于光程差產生干涉,干涉光強與FP腔腔長有關。而石墨烯振動的幅度等于FP腔腔長變化的幅度,在一個周期內,干涉光強變化的幅度正相關于石墨烯振動的幅度。

電檢測的原理為石墨烯的電導跟內應力有關,石墨烯薄膜振動時,其電導也會改變。

此外,還可以利用原子力顯微探針與石墨烯相互作用來檢測石墨烯的振動。而整個系統的驅動與檢測可以全光、也可以全電,還可以混合使用。


圖 1 石墨烯納機電系統。(a)光激發與光檢測示意圖;(b)電激發與電檢測示意圖

傳感應用

比起其他傳感器件,基于納機電系統的傳感器的檢測極限更低,空間分辨率也極佳。目前報道的傳感應用還是以力和熱為主,其中力學傳感包括靜態質量和動態振動等。

質量傳感

由于石墨烯的質量極低,當極微小質量的物體附著在石墨烯表薄膜面時,會產生非常靈敏的響應。

Chen等人在真空腔里蒸發一定質量的并五苯,然后記錄蒸發前后石墨烯共振頻率的變化。該器件在較大柵壓下,質量檢測極限達到 。

Chang等人利用非局部彈性理論研究了附著質量對圓形雙層石墨烯共振頻率的影響,發現隨著附著質量的增加,共振頻率和響應靈敏度都在降低,相同質量的物質離石墨烯薄膜中心越遠,共振頻率越高,同時物質附著在中心時靈敏度達到最大值。

振動傳感

由于石墨烯納機電系統需要在真空中工作,其很難進行通過空氣為媒介的力傳感,比如聲波傳感。

Verbiest等巧妙地利用石墨烯薄膜的襯底將超聲的作用力傳遞到石墨烯上,如圖2(a)所示,實現了對超聲振動幅度的傳感,可以達到7 pm的分辨率且超聲頻率不低于100 MHz。

Jiang等人利用有限元仿真理論研究了垂直作用在石墨烯薄膜上的壓力對石墨烯共振頻率的影響。發現當壓力小于100 kPa的時候,共振頻率隨壓力線性變化;單層石墨烯納機電系統的壓力靈敏度可達26838 Hz/kPa,比傳統共振型壓力傳感器的靈敏度高出兩個數量級。


圖 2 石墨烯納機電系統的應用。(a)石墨烯納機電系統聲波探測示意圖;(b)石墨烯納機電系統熱輻射探測示意圖

熱傳感

Singh等人研究了單層石墨烯共振頻率與溫度的關系,發現在30K到300K溫度下石墨烯的熱膨脹系數為負值,隨著溫度升高,共振頻率降低,且溫度越高,頻率變化越大。

Blaikie等利用石墨烯薄膜共振頻率對溫度的敏感特性,制備了快速響應、高靈敏的輻射熱計。如圖2(b)所示,入射光照射到石墨烯表面產生熱量,石墨烯吸熱收縮,內應力改變進而改變共振頻率,實現了對輻射的傳感。被測波長為532nm,靈敏度為52.5 kHz/μW,在室溫下實現了 的等效噪聲功率,靈敏度比基于電學效應的石墨烯輻射熱計高出100倍,同時響應速度也遠高于最先進的微輻射熱計。

光纖集合

利用光學手段驅動石墨烯納機電系統時,由于所用的為空間光,所需實驗器材較多,同時調試復雜操作困難,給實驗增加了難度。而光纖基于全反射的原理,具有優異的導光性能,同時具有可遠程操作、抗電磁干擾、尺寸小、耐高溫等優點,很適合代替空間光用于石墨烯納機電系統的研究。

Ma等人首次制備了全光纖的石墨烯納機電系統。如圖3所示,通過濕法轉移技術將CVD生長的石墨烯薄膜轉移到內徑為125μm的陶瓷玻璃套管端面上,然后將端面切平的單模光纖從陶瓷套管另一頭插入,使得光纖端面和石墨烯形成FP腔,再用環氧樹脂膠將單模光纖與陶瓷套管固定,增強器件的穩定性。利用飛秒激光器修飾懸空石墨烯的形狀,形成兩端固支梁型的結構。對器件頭進行了氣壓響應的測試,隨著氣壓的降低,共振頻率在降低,可以達到 的力檢測極限。


圖 3 全光纖系統激發與測試石墨烯納機電系統,插圖為陶瓷套管中光纖端面與石墨烯形成的FP腔

Tan等人將石墨烯-光纖端面陶瓷套管結構制成的FP腔用作光學檢測部分,將器件放入待測氣體的氣室中,利用聲波泵浦石墨烯振動,再通過信號處理,實現了通過振動幅度值對乙炔氣體濃度的傳感。厚度100nm直徑2.5mm的石墨烯薄膜檢測極限達到,歸一化噪聲等效吸收系數為 。

Liu等人通過切平端面的光纖熔接玻璃管再轉移石墨烯薄膜形成FP腔,再在光纖側面制備金電極,利用電流產生的熱效應改變石墨烯的內應力,實現了對微小電流的傳感,該器件結構實現了石墨烯薄膜和光纖的直接集成。

總結

石墨烯納機電系統對質量、力和熱等有著非常靈敏的響應,但是由于其需要在真空環境中工作,在實際應用上還是具有一定的挑戰。

可利用石墨烯納機電系統探測非接觸力,如電場力和磁場力,或者將外界參量變化通過一定的媒介傳遞到石墨烯薄膜上,石墨烯納機電系統具有獨到優勢。同時對納米尺度石墨烯的機電性能的研究也能為未來制備高性能納米器件打下堅實基礎。

全光纖應用在傳感領域的優點非常顯著,制備全光纖的石墨烯納機電系統器件,無論從操作難度還是應用場景都具有非常好的前景。但是目前在光纖上的制備工藝相對于平面襯底上的工藝還不夠成熟,器件的穩定性與成品率還有待提高。對于應用場景,由于器件需要在真空環境下工作,首先想到的應用場景便是外太空;其次如果將光纖頭的器件封裝在小型的真空密閉管中,能夠提高器件的便攜性,甚至能實現日常環境中的使用。相信隨著相關研究的推進,其應用范圍會越來越廣泛。