基于新型波模式的石墨烯电极柔性声表面波谐振器研究

Compared with traditional surface acoustic wave (SAW) devices based on rigid substrates, flexible SAW devices have unique advantages of excellent flexibility, conformal contact with curved surfaces, and light-weight ect., showing great potential for flexible electronics such as flexible wearable devices and electronic skin. However, at present, there exists two theoretical and practical problems for flexible SAW devices. Firstly, flexible SAW devices have a new wave mode and theoretical explanation of this mode is not clear. Secondly, the dense and rigid electrodes not only have mass-loading effects on this new mode but also make flexible SAW devices poor flexibility. To address both issues, the project of research on flexible SAW resonators with graphene electrodes based on the new wave mode is proposed. By theoretical analysis, simulation analysis and experimental comparison, this project will explore the wave field, particle vibration and wave propagation properties of the new wave mode, so as to identify such mode and perfect theoretical system of wave modes; In addition, graphene is used as ultra-thin and ultra-light electrodes for flexible SAW devices, to avoid mass-loading effects on the new wave mode, as well as making the devices more flexible and suitable for application in the field of flexible electronics.

相比传统硬质衬底声表面波（SAW）器件，柔性SAW器件具有可弯曲变形、可附着于任何形状表面以及质量更轻等独特优势，在柔性可穿戴设备、电子皮肤等柔性电子领域具有广阔的应用前景。然而现有的柔性SAW器件研究还面临着两个理论和实际问题：第一，柔性SAW器件出现了一个新型波模式，但目前该模式的理论解释尚不清楚；第二，现有的柔性SAW器件具有刚性硬质电极，对高频波的传播具有质量负载效应并且柔韧性差。针对这两个问题，申请人提出基于新型波模式的石墨烯电极柔性SAW谐振器研究项目。项目拟采用理论仿真分析、实验对比验证的方法，探究柔性SAW器件新型波模式的声场、粒子振动以及波传播特性等，判定新型波模式的类型，解决其定名、定性问题，完善波模式理论体系；同时，采用超薄超轻的石墨烯作为电极，避免电极质量负载效应对SAW器件新型波模式的影响，并进一步柔性化SAW器件，使得器件柔韧性更优良，更适合柔性电子应用。

项目背景：相比传统硬质衬底声表面波（SAW）器件，柔性SAW器件具有可弯曲变形、可附着于任何形状表面以及质量更轻等独特优势，在柔性可穿戴设备、电子皮肤等柔性电子领域具有广阔的应用前景。然而现有的柔性SAW器件研究还面临着新型波模式理论解释尚不清楚以及叉指电极采用了刚性的金属硬质电极问题，为此，申请人提出基于新型波模式的石墨烯电极柔性SAW谐振器研究项目。..主要研究内容：本项目理论、仿真分析出柔性SAW器件新型波模式的声场等物理量的分布，判定其波模式类型，阐释清楚新型波模式产生的物理机理。研究了电极质量负载对SAW器件频率、性能影响。获得了石墨烯叉指电极的制备方法及加工工艺；获得了柔性衬底上低温快速生长高c轴、低表面粗糙度、低应力的AlN和ZnO压电薄膜的方法。制备出有器件性能的石墨烯电极柔性SAW器件，并测试了器件性能。..重要结果：判定清楚了柔性SAW器件新型波模式为广义S0 兰姆波，解决了其定名、定性问题；理论、仿真和实验验证了电极质量负载效应对SAW器件，特别是高频SAW器件的影响，成功制备了基于电极质量负载效应的高频SAW传感器，并用于TNT探测；制备了世界上第一款石墨烯电极透明SAW器件并且成功用于温度、湿度和人体呼吸探测；制备了世界上频率最高的SAW谐振器，谐振频率高达33.7GHz，成功制备了石墨烯电极柔性SAW器件。..关键数据：项目完成预期目标，第一作者或者通讯作者发表SCI论文4篇，Ei论文3篇。其中1篇被MEMS领域顶尖期刊Applied Physics Letters推选为亮点论文, 1篇为MEMS领域重要期刊Journal of Micromechanics and Microengineering。申请国家发明专利4项，国际会议做大会报告2次，培养了研究生4名。..科学意义：基于新型波模式的石墨烯电极柔性声表面波谐振器研究具有重要的理论和工程意义。项目判定清楚新型波模式为广义S0 兰姆波，解决了其定名、定性问题；理论、仿真和实验验证了电极质量负载效应对SAW器件影响；制备了第一款石墨烯电极柔性SAW器件，在柔性可穿戴设备、电子皮肤等柔性电子领域具有广阔的应用前景。