Nano Res.│石墨烯泡沫谐振器

研究亮点

1）首次制作了小型化的悬浮石墨烯泡沫谐振器；

2）研究了石墨烯泡沫谐振器的动态特性、耗散特性以及温度对其性能的影响。

研究背景

石墨烯泡沫的3D微观结构，决定了其高度多孔的纳米结构，因此，其独特的物理性质不同于其二维平面材料。谐振器是MEMS/NEMS器件最重要的应用之一，它们通常在一个共振频率附近被激发，在那里响应被动态放大。

多孔机电器件在过去几年中已经被深入研究。由于其超高的表面积，它们对许多应用具有吸引力，例如湿度传感器、射频装置、气体传感器、生物传感器和滤光器。然而，多孔层（例如多孔硅）的合成，要求复杂的制造工艺，通常包括电化学蚀刻器件层以产生多孔结构。

文章简介

有鉴于此，以色列本•古里安大学Assaf Ya’akobovitz团队以“Graphene foam resonators: Fabrication and characterization”为题，在Nano Research上发表最新研究进展，首次提出了小型化的基于三维石墨烯泡沫的谐振器。作者通过一种简单、可靠的制造工艺，制作了石墨烯泡沫器件。用静电激发这些器件，并分析它们的共振和衰荡响应。实验观察到显著的能量耗散，器件的品质因子在几十的数量级。此外，作者研究了温度对器件工作的影响，发现高温会使谐振器机械软化，但也会显著提高能量耗散。最后，作者演示了共振模式和两倍频率模式的模式耦合。因此，这项工作为开发新型石墨烯泡沫谐振器铺平了道路，该谐振器可以集成到未来的器件中，例如基于石墨烯泡沫的纳米机电传感器、电路和振荡器。

要点1. 石墨烯泡沫谐振器的制作和表征

如图1(a)-1(c)所示，石墨烯泡沫谐振器通过微纳制造手段得到，流程包括CVD生长石墨烯泡沫、光刻和湿法蚀刻Si/SiO₂晶片。图1(d)和1(e)分别是得到的石墨烯泡沫谐振器的实物图和SEM图片。

对石墨烯泡沫进行拉曼光谱分析，G峰和2D峰是典型的石墨烯片的特征峰，G峰和D峰的比表明石墨烯是多层的，而较低的D峰强度则说明具有很低的浓度缺陷。能量色散光谱（图1(g)）表明，存在碳原子和很少量的镍原子。进一步，XRD显示，经过刻蚀后，镍被去除，只剩下石墨碳。

图1 石墨烯泡沫谐振器的制造。（a）起始材料Si/SiO₂晶片；（b）空腔的光刻和湿法蚀刻(使用氢氟酸)；（c）附着石墨烯泡沫以覆盖空腔；（d）石墨烯泡沫谐振器的光学图像;（e）石墨烯泡沫SEM图；（f）石墨烯泡沫Raman图；（g）石墨烯泡沫EDS图；（h）石墨烯泡沫和Ni-石墨烯泡沫的XRD图。

要点2. 电学特性

首先研究了该石墨烯泡沫谐振器的电学特性。图2首先进行两点电流-电压（I–V）测量，其线性的I–V特点，可归因于石墨烯的半金属能带结构和器件的多层结构。

接下来，分析了石墨烯泡沫谐振器的电容。图2(b)中所示的电容值仅指悬浮的石墨烯泡沫的电容。值得注意的是，这些电容值与具有相同几何形状的平行板电容器计算的电容值相当。尽管石墨烯泡沫具有多孔结构和诱导的景点条纹场，但是石墨烯泡沫的电容值和同尺寸的平板电容器电容值相当。

图2 石墨烯泡沫谐振器的电学特性。（a）I‒V曲线；（b）电容测试。

要点3. 机电特性

首先通过在硅衬底和悬浮的石墨烯泡沫之间，施加一个随时间变化的电压来激发这些器件，这产生一个电场。电场产生一个力，将石墨烯泡沫吸向基底，而石墨烯泡沫的弹性作为恢复力，将石墨烯泡沫拉回到其初始位置。值得注意的是，由于石墨烯泡沫的多孔结构，感应静电场不同于在平面电极之间产生的静电场，它主要由边缘场线组成。图3(a)为实验用的实验装置，包括用于捕捉 器件振动的LDV，以及提供激励电压并在频域中分析器件振动的网络分析仪。

图3(b)所示的石墨烯泡沫谐振器的频率响应表明，在211 kHZ附近有清晰的谐振。激励电压的偏置分量和最大振动幅度之间的关系如图3(b)中的插图所示。不出所料，由于激发力与VDC成正比，振动幅度与偏置分量成正比。

器件的典型衰荡响应如图3(c)所示。尽管静电脉冲被施加到器件上，并且与频率响应实验(图3(b))相反，衰荡响应本质上是机械的，并且由装置的弹性和阻尼控制。

品质因数代表稳态振荡能量和每周期耗散能量损失之间的关系，低品质因数值表示显著的能量耗散。如图3(d)所示，经受时间相关电压(即谐振响应)或短脉冲(即衰荡响应)的几个器件的品质因数表现出类似的值，在几十的数量级。这些品质因子值有些低，表明存在明显的能量耗散，作者分析，导致能量耗散的主要原因包括挤压膜空气耗散、表面损失和材料损失。

图3 （a）用于表征石墨烯泡沫谐振器机电特性的实验装置示意图；（b）石墨烯谐振器的频率响应；（c）短电脉冲作用下石墨烯泡沫谐振器的时间响应；（d）在共振(绿色)和衰荡(蓝色)条件下，七个器件的品质因子。

要点4. 不同温度下的动态响应

进一步，研究了几种石墨烯泡沫谐振器在不同温度下的动态响应。结果显示，温度升高对谐振器的动态响应有两个主要影响：当温度升高时，谐振频率和品质因数都降低，见图4(b)和4(c)。

共振频率的降低归因于高温的软化效应。图4(b)显示，当温度升高时，石墨烯泡沫谐振器的谐振频率适度降低，这表明软化对石墨烯泡沫谐振器的动态特性影响较小。另一方面，低品质因子意味着高温增强了能量耗散。事实上，高温增加了热弹性阻尼，这与所施加的温度成比例。此外，高温增强了空气耗散，因为它增加了周围空气分子的动能，这反过来增加了它们与石墨烯泡沫碰撞的可能性。空气分子和石墨烯泡沫之间的多次碰撞，增加了石墨烯泡沫和空气分子之间的热机械耦合，因此增加了能量的耗散。

软化有助于实现更大的振幅，而低品质因子则降低了振幅。作者的实验显示，品质因子的影响更大，由于高温下具有较低的振幅（图4（d））。

图4 （a）高温下，石墨烯泡沫谐振器的频率响应；（b）谐振频率；（c）品质因子；（d）高温下，几种器件的振动幅度。

最后，该器件显示了它们的共振模式和具有两倍共振频率的附加模式间的耦合。这些装置在它们的共振频率下被激发，对它们的时间响应应用快速傅立叶变换(FFT)揭示了在激发频率和两倍激发频率下的响应（图5(a)）。增加激励电压导致与激励共振相关的振动幅度适度增加，而与较高频率相关的振动幅度显示出更显著的增加（图5(b)）。这一观察揭示了这些模式之间的模式耦合，其中能量从共振模式转移到更高的模式。

图5 （a）在其谐振频率下，石墨烯泡沫谐振器的时间相应傅里叶变换；（b）振动幅度与电压偏置分量的关系。

小结

作者开发了一种简单可靠的石墨烯泡沫谐振器制造工艺，该装置在其共振频率附近被静电激发，并且由于挤压膜空气阻尼、表面损失和材料阻尼而表现出显著的能量耗散。在高温下激发器件，机械地软化了石墨烯泡沫谐振器，进一步增强了能量耗散。从低频模式到高频模式的能量转移，表现出1:2的模式耦合比。这样一个模式耦合对于众多应用极具吸引力，例如，能量需要在不同的模式之间转移的场景(例如，在速率传感器中)，或者需要仔细控制振动幅度和频率的地方(例如，在时钟装置中)。石墨烯泡沫谐振器的多孔结构及其高表面积，为化学和生物传感器所需的新型多孔谐振器的开发开辟了道路。

文章信息

Yahav Ben-Shimon, et al. Graphene foam resonators: Fabrication and characterization, Nano Research, 2021, https://doi.org/10.1007/s12274-021-3463-3.