2025年11月30日
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中國科學技術大學郭光燦院士團隊在可調納米機電二維陣列上取得重要進展。該團隊郭國平、宋驤驤等人與本源量子計算有限公司合作，設計實現(xiàn)了基于石墨烯的納米機電二維陣列器件，展示了對呈帶狀分布的諧振頻率的電學調節(jié)。相關研究成果近日以“Graphene-Based Nanoelectromechanical Periodic Array with Tunable Frequency”為題，發(fā)表于《納米快報》(Nano Letters)上。
具有周期性陣列結構的納米機電系統(tǒng)，其機械振動響應在頻率上可以展現(xiàn)出帶狀結構，用以制備聲子晶體。聲子晶體因其在調控聲子耗散及操縱聲子傳播等方面的巨大潛力，吸引了廣泛的研究關注。通過設計合適的聲子能帶結構，可以大大提高嵌入其中的聲學諧振器的品質因子，提升聲子壽命。與此同時，聲子晶體還可以用于制備聲學波導，實現(xiàn)聲子傳遞。對聲子晶體的研究，漸漸成為了近年來的熱點研究方向之一。然而，對聲子能帶結構的調控，往往通過設計制備不同幾何參數(shù)的器件來實現(xiàn)，如何對能帶結構進行外場調節(jié)，仍然充滿挑戰(zhàn)。
有鑒于此，中國科大郭光燦院士團隊郭國平教授研究組，利用石墨烯優(yōu)異的力學和電學性能，設計制備了基于石墨烯的可調納米機電二維陣列器件。研究組先在襯底上刻蝕得到均勻的周期性柱狀陣列，再利用微納工藝制備電極，最后將合適厚度的石墨烯轉移至已制備好的結構上，實現(xiàn)基于石墨烯的納米機電二維周期陣列器件。通過電學表征的方法，研究人員發(fā)現(xiàn)器件在極大頻率范圍內(nèi)（～120 MHz到～980 MHz）展現(xiàn)出大量準連續(xù)的諧振模式，而且頻率可以被柵極電壓調節(jié)，其分布與理論模擬結果吻合。
這一設計可拓展至更多單元，可應用于不同二維材料甚至基于它們的異質結構。采用不同設計的柱狀陣列，可以對聲子能帶結構進行調節(jié)，不僅可用于制備不同功能的聲學器件，也可用于研究拓撲聲學等基本物理現(xiàn)象。該研究結果提供了一種在微納尺度上，實現(xiàn)電學激發(fā)、電學讀取、電學調節(jié)的聲子晶體實驗方案，具有高度的加工靈活性，為電學調控聲子晶體能帶結構提供了可能。
圖1：可調納米機電二維陣列器件及電學可調的準連續(xù)諧振模式。
中科院量子信息重點實驗室郭國平教授、宋驤驤特任副研究員為論文共同通訊作者，研究生張慶航、應鉞為論文共同第一作者。該工作得到了科技部、國家基金委、安徽省的資助。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c01866
（中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）
新聞鏈接：http://news.ustc.edu.cn/info/1055/77045.htm
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