综述：基于石墨烯的MEMS和NEMS器件及其应用研究

石墨烯因其原子级厚度、超高的载流子迁移率、优异的机械强度以及压阻式机电换能特性，正逐步成为微机电系统（MEMS）和纳机电系统（NEMS）中理想的换能膜材料。尤其是基于石墨烯的NEMS器件凭借其高灵敏度、微型化尺寸和创新功能特性，近年来备受关注。

据麦姆斯咨询报道，近期，北京理工大学范绪阁教授、丁洁副教授以及中北大学张文栋教授等研究人员在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了一篇题为“Graphene MEMS and NEMS”的综述文章，分析了石墨烯作为MEMS和NEMS功能材料的优势特点、关键特性、换能机制，以及用于MEMS和NEMS的石墨烯制备方法，概述了基于悬浮和非悬浮石墨烯结构的各类器件，并探讨了石墨烯在MEMS和NEMS领域的应用潜力与发展挑战。

石墨烯特性

石墨烯是一种二维材料，由碳原子以规则六边形晶格紧密排列而成。凭借其优异的性能，石墨烯成为MEMS和NEMS中机电换能器的理想材料选择。用于机电换能器，石墨烯不仅可以显著减小器件尺寸，还能大幅提升器件性能。得益于其平面结构特征，石墨烯能够很好地与标准光刻工艺兼容。石墨烯可以实现大面积制备，并能够与各类衬底表面良好结合。此外，石墨烯既可以形成原子尺度的自支撑薄膜或梁结构，也可以与聚合物或其它薄膜复合形成悬浮结构。

石墨烯在NEMS中的换能机制

石墨烯的多种换能机制可应用于NEMS和传感器件中，这些机制包括压阻效应、静电感应、石墨烯电极静电驱动、谐振和光学换能、霍尔效应，以及由表面相互作用引起的电阻变化等。由于石墨烯的电学信号对环境参数极为敏感，为了确保基于石墨烯的器件在实际应用中的可靠性，必须对关键环境参数进行严格控制，并采取适当措施保护石墨烯免受电磁场和环境气体成分变化等外部因素的干扰。

图1 石墨烯的压阻换能机制

图2 石墨烯的静电换能机制

图3 基于霍尔效应的换能机制

用于MEMS和NEMS的石墨烯制备方法

石墨烯薄膜可通过机械剥离、化学气相沉积（CVD）或外延生长等方法制备。石墨烯的转移工艺是连接其制备与应用的关键环节。在MEMS/NEMS器件开发中，通常需要将石墨烯从生长衬底转移至功能性目标衬底。转移后的石墨烯需要进行图案化处理，以满足器件设计要求。值得注意的是，虽然石墨烯本身属于纳米尺度材料，但可以通过标准光刻工艺结合O₂等离子体刻蚀实现晶圆级的图案化加工，这已成为最常用的石墨烯图案化方法。与图案化类似，石墨烯转移至目标衬底后还需要建立可靠的电气接触，用于电接触石墨烯的金属电极可以在石墨烯转移前或转移后通过热蒸发或溅射制备。

图4 石墨烯转移的不同方法

图5 石墨烯的图案化

图6 石墨烯的电接触

目前，制备悬浮石墨烯结构的方法主要有三种：一是将原始石墨烯直接机械剥离到预制沟槽或空腔的图案化衬底上；二是通过基于氢氟酸（HF）的湿法或干法刻蚀工艺去除石墨烯下方的衬底材料；三是将CVD生长的石墨烯直接转移到预制微结构的图案化衬底上。

图7 悬浮石墨烯结构的制备

基于悬浮和非悬浮石墨烯结构的器件

基于悬浮和非悬浮石墨烯结构的MEMS和NEMS器件种类丰富，包括各类压力传感器、谐振器、开关、质量传感器、加速度计、麦克风和扬声器、气体传感器、霍尔传感器，以及柔性器件（例如透明电极、应变传感器、压力传感器和音频发射接收装置等）。

图8 基于悬浮石墨烯的电容式压力传感器

图9 基于悬浮石墨烯的NEMS器件和NEMS结构中悬浮石墨烯的表征

图10 基于非悬浮石墨烯的柔性应变传感器

图11 基于非悬浮石墨烯的柔性音频发射和音频接收器件

未来发展与挑战

随着石墨烯材料质量的不断提升和商业化水平的逐步成熟，石墨烯在MEMS、NEMS以及传感器领域将开拓出更多新的应用前景，尤其是在可穿戴传感器的柔性和可拉伸器件方面。

然而，基于石墨烯的NEMS传感器当前仍面临一些挑战。首要挑战是悬浮石墨烯结构的制备良率较低，特别是在制备悬浮单层石墨烯结构时，产率普遍不高。为提高悬浮石墨烯的制备良率，需要持续优化CVD生长工艺，以获得晶界更少的大尺寸石墨烯晶粒。其次是器件稳定性和可靠性有待提高。为应对这一问题，需要采取有效措施保护石墨烯免受环境影响，例如使用h-BN、Si₃N₄、Al₂O₃或基于PMMA的聚合物进行封装保护。此外，在单一制程中实现多类型悬浮传感器的制备工艺开发也是一个重要挑战。其它需要解决的问题还包括高性能电子读出电路的开发、器件封装以及可靠性评估等方面。

论文信息：https://doi.org/10.1038/s41378-024-00791-5