石墨烯纳机电谐振器制备方法及其非线性动态特性的基础研究

As a new carbon structure and morphology, graphene shows a series of unique electronic and physical properties, and the applications of graphene has played a significant role in the fields of micro/nanoelectromechanical devices, solid-state gas sensors and integrated circuits, etc. In this project, the research on the preparation method of NEMS resonators and its nonlinear dynamic characteristics is carried out based on graphene material. The chemical vapor deposition method is used to prepare the graphene resonator. The theoretical research, molecular dynamics simulations and experimental studies are performed in the aspect of its electromechanical coupling characteristics and nonlinear dynamic characteristics. The focus of this research lies not only in the establishment of the lumped parameter model for the graphene resonator as well as the extraction of the feature parameters, but also in the design and analysis of the electromechanical parameters. The study includes: 1) Preparation method of the graphene resonators; 2) Electromechanical coupling characteristics of graphene beam and its nonlinear dynamic characteristics under the influence of multi factors; 3) The damping mechanism and resonance characteristics based on molecular dynamics method. A new technical idea for the research on graphene resonators is proposed in this project. This project is aimed at obtaining a better preparation method of graphene resonators and exploring the nonlinear dynamic characteristics of graphene resonators so that it will lay a solid foundation for graphene resonators' design and preparation.

石墨烯作为一种新的碳元素结构形态，表现出来的一系列奇特的电子和物理特性，在微纳机电器件、固态气敏传感器和集成电路等诸多领域有着重要的应用前景。本项目拟开展的纳机电谐振器制备方法及非线性动态特性研究，研究对象为基于石墨烯的纳机电谐振器，采用化学气相淀积方法制备纳机电谐振器，并针对其进行力电耦合特性和非线性谐振特性的理论研究、分子动力学仿真和实验研究。重点研究石墨烯谐振器的集中参数模型建立和特征参数的提取，及其机电参数的分析和设计。研究内容包括：1）石墨烯纳机电谐振器的制备方法；2）多因素影响下的石墨烯谐振梁的力电耦合特性和非线性动态特性研究；3）基于分子动力学方法的阻尼机制和谐振特性研究。本项目提出了研究石墨烯纳机电谐振器的新技术思路，通过本项目的研究可以获得更完善的石墨烯谐振器制作工艺，揭示石墨烯谐振器的非线性动态特性，进而为石墨烯谐振器的设计和制备打下良好的基础。

完美的石墨烯是一种由碳原子组成的六角蜂窝状晶体结构的二维层状材料，是组成其他维度碳质材料的基本单元。自从2004年被发现以来，由于其在实验中表现出来的一系列奇特的力学、光学和电子特性，石墨烯激起了众多科学家的研究兴趣。石墨烯纳米带/薄膜在微纳机电器件、固态气敏传感器和集成电路等诸多领域有着重要的应用前景。本项目针对基于石墨烯材料的纳机电谐振器的制备技术及非线性动态特性进行了研究。主要研究工作及进展如下：.（1）针对石墨烯纳机电谐振器的制备方法进行了研究，搭建了石墨烯制备实验平台，提出了一种更易于实现的兼容微纳制造技术的批量制备石墨烯纳机电谐振器的方法。.（2）对石墨烯谐振梁的力电耦合特性和非线性动态特性进行了理论分析、数值模拟和实验测试研究。基于宏观连续体模型理论，引入范德华力对谐振器振动特性的影响，构建了石墨烯纳米梁谐谐振器在静电驱动方式下的非线性控制方程。通过有限差分法对谐振器的振动特性进行动态分析，并利用频谱分析方法FFT对时域挠度曲线进行频谱分析。提出了一种在分子动力学仿真中进行的静电力等效方法，采用分子动力学方法对石墨烯谐振器在不同外力作用下的谐振频率进行模拟仿真和结果分析。.（3）采用分子动力学方法对石墨烯纳机电谐振器的阻尼机制和谐振特性进行了研究。基于半连续体理论对气体压强条件下的纳谐振器进行了理论建模以及数值计算，并推导出气体压强条件下石墨烯纳米带的谐振频率。对气体阻尼条件下的石墨烯纳米带进行了弛豫、应力加载以及动态谐振等仿真过程，得到了气体阻尼条件下石墨烯纳米带谐振频率与气体压强、品质因数和梁的尺寸之间的对应关系。研究了石墨烯纳米带的长宽比、环境温度、压强以及衬底对石墨烯纳米带初始张力的影响。. 此外，为了配合理论分析、数值模拟和实验研究的需要，对石墨烯纳米带/薄膜的弛豫性能、力学性能、气体吸附特性、润湿特性以及表面液体沸腾现象进行了研究。. 本项目提出了研究纳机电谐振器的新技术思路，通过本项目的研究提出了一种兼容现有MEMS工艺的石墨烯谐振器制作方法，揭示石墨烯谐振器的非线性动态特性，为石墨烯谐振器、纳机电混频器及传感器的设计和制备打下良好的基础。