电子滚球体育 大学InfoMat：大范围、高线性、快响应的纳米机电谐振式气压传感器

近日，电子滚球体育 大学王曾晖教授、夏娟研究员团队与中南大学周喻教授团队合作报道了基于非层状二维材料β-In₂S₃的超高频谐振式纳米气压传感器，实现了宽量程（从10^-3Torr直至大气压）、高线性（非线性程度仅为0.0071）和快响应（内禀响应时间低于1微秒）的优异传感性能。研究人员还阐明了纳米机电谐振器的频率设计规律，并成功实验测定了材料弹性模量和器件内应力，为基于二维非层状材料的新型低维纳米器件的晶圆级设计与集成赋能。该成果近日发表于InfoMat期刊，论文的通讯作者还包括电子滚球体育 大学朱健凯博士（中国微米纳米技术学会首届优秀博士论文奖获得者）。

二维非层状材料具有应用于纳米机电结构中的潜力，并因其独特的物理特性和表面活性，有望进一步实现性能优异的传感器件。然而，由于纳米机电器件对于材料稳定性和导电性等方面的要求，以及器件制备的难度，这一极具前景的应用范式一直未得到探索。近日，该团队研究人员利用β-In₂S₃这一具备高载流子迁移率和适中带隙的二维非层状半导体，制备了一系列工作频率在超高频频段的纳米机电谐振器，实现的气压传感性能在同类器件中暂居最优。

研究人员利用圆形纳米鼓膜（图1A−C）的动态响应考察器件弹性特征。通过自主设计并优化的激光干涉位移测量系统，有效地表征了纳米谐振器的超高频段频域动态响应（图1D）。为验证β-In₂S₃纳米谐振器的气压传感性能，研究人员在10^-4Torr至大气压的宽气压范围内不间断追踪器件动态响应，并分析了谐振频率和质量因子的调控机制。研究表明，谐振频率随气压增加而线性增长，响应度高达259.77 ppm/Torr（即每Torr气压变化将引入高达2.328 KHz的频偏），而非线性程度仅为0.0071，揭示了该传感器的优异响应性能（图1E）。此外，耗散因子随气压增加引入的额外空气阻尼呈下降趋势，理论分析表明该传感器在大气压下的响应速度可达0.95微秒。

图1. (A−C)二维β-In₂S₃纳米机电谐振器的(A)结构示意图、(B)器件显微图及(C)电镜图；(D)谐振器的基模谐振响应实验数据（蓝线）及模型拟合（红线）；(E)谐振频率与耗散因子受腔室气压的调控关系（部分气压范围）。

研究人员制备并测试了24个不同厚度和尺寸的β-In₂S₃纳米谐振器，它们工作频率遍布8.48 MHz至89.97 MHz的宽频率范围（图2A），并呈现与厚度相关的耗散机制（图2B）。通过对谐振器本征频率的理论分析，研究人员提出了不同器件几何所对应的器件弹性特征的分区规律，并在实验数据上得到验证。该研究还确定了β-In₂S₃材料的杨氏模量（45 GPa）和内建应力（约0.5 N/m内），为基于二维非层状材料的新型纳米机电器件的设计、分析、调控和应用提供了坚实的理论基础。

图2.β-In₂S₃纳米谐振器的性能及频率设计规律图。(A)实测的基模谐振频率（散点）及理论分析得到的频率设计规律（实线及阴影）；(B)从实验数据中提取的耗散因子（Q）与器件尺寸的关系图。

这一成果获得了国家杰出青年科学基金，国家自然科学基金原创探索计划，联合基金等项目的支持。

论文信息

Broad-range, high-linearity, and fast-response pressure sensing enabled by nanomechanical resonators based on 2D non-layered material:β-In₂S₃

DOI: 10.1002/inf2.12553

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/inf2.12553