基于低维压电材料的微纳机电谐振器的机理与器件研究

Resonant nanoelectromechanical systems (NEMS) based on piezoelectric low-dimensional (low-D) nanomaterials leverage both the unique devices structures of NEMS resonators and piezoelectricity recently found in certain types of low-D nanomaterials. Research findings on this topic hold promises for enabling novel nanodevices for sensing, actuation, and information processing, such as transducers, filters, and frequency standards that are truly nanoscale, flexible, and ultra-low power. To address the challenges in the proposed research, we devise a number of novel technical approaches: (1) develop and analyze device models based on first principle equations and finite element modeling; (2) adopt gateless, doubly-clamped device structures enabled by a novel dry/wet hybrid low-D material transfer method; and (3) use multiphysics actuation and detection schemes in studying device response in order to decouple the different physical degrees of freedom. The findings can lead to advancement of the forefront of several research areas, such as NEMS, low-D nanomaterial-based nanodevices, and novel information processing devices.

基于低维压电材料的微纳机电谐振器研究同时涵盖了NEMS谐振器件与低维压电材料这两个前沿方向。基于申请人在相关领域的前期工作（累计22篇SCI文章在Science等期刊上），本课题充分利用独特的NEMS器件构造来探索低维材料在动态激励下的压电响应特性和物理过程，致力于为开发新型信息器件（如纳米级别、柔性的、超低功耗的传感器、滤波器、频率基准等）奠定理论和实验基础。.针对理论分析和实验设计上的挑战，本课题1）提出了开展基于低维材料的NEMS压电谐振器理论和实验研究，有机地结合了两个新兴科研方向的最前沿；2）致力于研发全新工作机理的微纳信息器件，并具体提出了全新的器件结构和制备方法；3）立足于探索新型纳米器件中各种物理过程及物理量之间的转换，并具体提出了不同于传统手段的激发和测量方法。本项目有望在相关领域取得原创性的突破，并提高我国在NEMS系统、低维纳米器件、新型信息器件等领域的国际竞争力。

基于低维压电材料的微纳机电谐振器研究同时涵盖了NEMS谐振器件与低维压电材料这两个前沿方向。本项目充分利用独特的NEMS器件构造来探索低维材料在动态激励下的压电响应特性和物理过程，致力于为开发新型信息器件奠定理论和实验基础。本课题组在2018-2021年项目执行期中，围绕着二维过渡金属硫族化合物这一类低维压电材料开展了微纳机电谐振器的机理与器件研究，从谐振机理，器件设计，器件制备，谐振测量等方面开展了系统深入的研究。在前期工作的基础上，设计并搭建了新型高效的低维机电谐振器制备系统；设计、搭建并拓展了从kHz到THz频段的二维结构/器件谐振测试系统；制备了基于低维压电材料的纳机电谐振器；揭示了在压力作用下此类材料电子结构的变化机理，并测定了一系列不同频率的机械振动模式；阐明了此类低维谐振器中谐振测量效率的调控原理和方法，并在实验上充分验证；阐明并实验验证了此类低维谐振器中的频率设计和调控原理；为后续进一步研究基于低维纳机电谐振器的新型信号传感和处理器件奠定了良好的工作基础。本项目的顺利结题，以及在项目执行过程中在相关领域取得的一系列原创性的突破，对于提高我国在NEMS系统、低维纳米器件、新型信息器件等领域的国际竞争力具有积极的意义。此外，在本项目的研究成果基础上，项目组的成员进一步凝练研究方向，在本项目的研究内容和创新点上进一步拓展研究深度和创新思路，在本项目结题的同年申请并获批了一项本学部的区域创新发展联合基金项目以及一项原创探索项目。这为本项目研究内容和创新思路的进一步延续和拓展创造了很好的条件，能够有力地确保本项目组在相关研究方向上继续开展深入研究，很好地支撑了本项目研究方向的延续性、长期性和可持续发展势头。