电子科大ACS Nano：工作在甚高频的MXene纳米机电谐振器和传感器

近日，电子滚球体育 大学王曾晖团队与肖旭团队合作报道了基于MXene材料Ti₃C₂T_x二维晶体的纳米机电谐振器，成功测定了此类二维材料的弹性模量，阐明了此类器件的频率设计及调控规律，并展示了其作为真空压强传感器的应用潜力。论文以Electrically Tunable MXene Nanomechanical Resonators Vibrating at Very High Frequencies为题发表于学术期刊ACS Nano。

【成果简介】

过渡金属炭氮氧化物（MXene）是一类已被广泛应用于储能、催化等领域的二维无机化合物。其中，Ti₃C₂T_x是最早被制备和研究的MXene材料之一，对其各类材料性质和应用已有很多研究。目前，在绝大多数MXene器件研究中，MXene材料都是以薄膜或者材料添加物的形态出现；在少数涉及二维晶体的器件研究中，MXene也是作为导电材料，用于和其他的二维半导体实现电学接触。相比之下，基于二维MXene晶体的器件研究则少得多，而同时发掘MXene晶体中多项材料特性（如电学+力学）的器件研究则更为罕见。

针对这一现状，电子滚球体育 大学的研究者们探索并实现了基于二维MXene晶体的纳米机电谐振器，利用材料的导电特性首次同时实现了此类器件的谐振激励和频率调控，并通过力学分析成功测定了二维Ti₃C₂T_x晶体的弹性模量。研究者们从调整材料合成方法和材料形貌出发，有针对性地改进了传统二维纳机电谐振器的制备方法，成功实现了厚度从多层（>50）到少层再一直到单层的MXene纳米机电谐振器制备。基于自主搭建的二维微纳机电谐振器精密测量系统，研究者们大幅优化了信号耦合途径，利用光学干涉的方法成功观测到了二维Ti₃C₂T_x纳机电谐振器在受布朗热运动激励下自发产生的热机械振动，清晰地检测到了幅度低达52 fm/√Hz的振动信号。在此基础上，研究者们分别通过光热效应和静电力驱动实现了对二维Ti₃C₂T_x机电谐振器的激励，并测定其谐振响应，发现此类器件的基频谐振频率可高达甚高频（VHF）频段。

【图文导读】

二维MXene晶体结构及纳米机电谐振器结构示意图和器件显微照片。来源及版权：ACS Nano及论文作者

二维MXene纳米机电谐振器的形貌表征及谐振特性。来源及版权：ACS Nano及论文作者

二维MXene纳米机电谐振器的谐振频率及品质因数分布。来源及版权：ACS Nano及论文作者

进一步，研究者们对二维Ti₃C₂T_x纳米机电谐振器谐振频率受气压调控的变化规律进行了探索，验证了此类器件作为真空环境下压强传感器的可行性，并实现了高达736%/Torr的压强响应度和低至1.65×10^-4Torr的工作压强下限。此外，为了深入探索二维Ti₃C₂T_x的机械特性，研究者通过大量测试不同尺寸的器件，建立起了器件基模谐振频率与直径、厚度的完整关系，进而确定了Ti₃C₂T_x材料的杨氏模量范围（270~360 GPa），阐明了二维Ti₃C₂T_x谐振器的频率设计规律，为后续二维Ti₃C₂T_x机电器件设计提供了有力参考。

本研究得到了国家自然科学基金原创探索项目、联合基金重点项目、面上项目、青年基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c05742