ACS Nano：迈向原子尺度的纳米机械谐振器

01【导读】

人们对实现新型纳米机械甚至纳米机器人的追求由来已久。科研人员在纳米机械器件的研究中投入了巨量的精力，也取得了许多重要的发现。

随着低维纳米材料等多学科领域的蓬勃发展，材料科学家成功制备了各种性能优异的低维纳米材料。这些低维纳米材料主要包括一维纳米线/纳米管，和以石墨烯为代表的二维原子层状材料。同时，借助于精密微细加工技术，机械结构和器件也不断朝着小型化的极限而发展——并且已经达到了分子甚至原子尺度。特别是人们利用这些一维和二维纳米材料天然的维度优势，成功开发了接近极限尺寸的纳米机械谐振器，并且发现了一系列卓越的器件性能，例如超低质量、超宽频率调谐范围、宽动态范围和超低功耗等。这些优点和独特属性在基础研究和工程应用中都扮演了必不可少的角色，对相关领域的发展起到了巨大的推动作用。因此，基于低维纳米材料的新型纳米机械谐振器也愈发成为引人注目的前沿研究领域。

02【成果掠影】

近日，电子科技大学王曾晖教授、佛罗里达大学Philip X.-L. Feng教授、上海交通大学杨睿教授以及印度科技学院Akshay Naik教授等人联合发表了综述论文，对基于一维和二维纳米材料的纳机电系统 (NEMS) 谐振器的起源、发展和技术迭代历程提供了全面又详细的回顾。作者首先介绍材料选择和基于低维纳米材料的器件制备技术，然后介绍了在当下测量环境中测量或读取此类NEMS谐振器机械谐振信号所面临的的巨大挑战和困难（由于低维NEMS谐振器的尺寸特点，使得它们的机械振动幅值往往只有单原子尺寸的级别，极易湮没在无处不在的背景噪声中），并由此系统回顾了面对这种挑战和困难所开发的各类精密激发和检测技术，同时结合作者们几十年科研工作经历和经验，全面总结并定性+定量的分析了这些方法的使用特点和适用范围；然后，作者又归纳了各种重要的一维和二维NEMS谐振器的关键器件指标，并对每个指标总结了其中较为突出的器件性能参数和器件尺寸，为大家呈现了器件性能发展的历程，也为进一步提高器件性能提供了重要的线索和路线图。此外，作者们结合自己开展的相关研究，特别讨论了针对NEMS谐振器中的谐振频率以及品质(Q)因子和阻尼等参数的调控原理和方法，为相关器件指标设计和应用领域提供了重要参考和研究思路。作者还总结和讨论了NEMS谐振器中超越简谐运动的高阶复杂动力学过程，例如非线性和模式耦合行为。在应用方面，作者总结了NEMS谐振器在信号传感、处理和量子实验等基础研究中的应用。最后，针对这个充满活力的领域的挑战和机遇，作者分享了自己的见解。

相关研究文章以“Nanomechanical Resonators: Toward Atomic Scale”为题发表在ACS Nano上。

03【核心创新点】

作者提供了对NEMS谐振器领域的全面概述和总结，展示了最先进的器件并分析了其性能，并为整个领域的发展进行了深入的思考，提出了明确的建议。

04【数据概览】

图一、由多种一维和二维纳米材料实现的纳米机械谐振器© 2022 ACS Publications

图二、一维和二维 NEMS谐振器的制造工艺示意图© 2022 ACS Publications

图三、纳米机械谐振运动的激发和测量技术© 2022 ACS Publications

图四、碳纳米管的结构和纳米管谐振器的典型器件几何形状© 2022 ACS Publications

图五、一维 NEMS谐振器的示例© 2022 ACS Publications

图六、石墨烯NEMS谐振器© 2022 ACS Publications

图七、石墨烯以外的二维NEMS谐振器© 2022 ACS Publications

图八、一维 NEMS谐振器中的模态测量© 2022 ACS Publications

图九、二维 NEMS谐振器中的模态测量© 2022 ACS Publications

图十、二维谐振器的机械模型© 2022 ACS Publications

图十一、一维 NEMS谐振器中的频率调谐© 2022 ACS Publications

图十二、二维 NEMS谐振器中的频率调谐© 2022 ACS Publications

图十三、一维 NEMS谐振器中的品质因数 © 2022 ACS Publications

图十四、二维 NEMS谐振器中的品质因数© 2022 ACS Publications

图十五、一维和二维 NEMS谐振器中的非线性响应和动态范围  © 2022 ACS Publications

图十六、低维谐振器中的模态耦合© 2022 ACS Publications

图十七、低维NEMS谐振器的质量传感应用© 2022 ACS Publications

图十八、低维NEMS谐振器的力传感应用© 2022 ACS Publications

图十九、低维NEMS谐振器的其他传感应用© 2022 ACS Publications

图二十、用于射频信号处理的低维NEMS谐振器© 2022 ACS Publications

图二十一、各类耦合NEMS设备© 2022 ACS Publications

图二十二、与CMOS电路集成的二维NEMS谐振器的艺术插图© 2022 ACS Publications

05【成果启示】

NEMS谐振器未来面临的挑战主要包括器件的大规模制造、器件性能的可预测性和更高的一致性、更新的信号读取方案以及器件结构的进一步小型化。未来的机遇主要集中在设计更高端和更小型化的传感器、实现其作为逻辑处理单元并与CMOS电路工艺的集成，以及作为面向6G及更先进通讯技术的射频组件。

原文详情：Bo Xu, Pengcheng Zhang, Jiankai Zhu, Zuheng Liu, Alexander Eichler, Xu-Qian Zheng, Jaesung Lee, Aneesh Dash, Swapnil More, Song Wu, Yanan Wang, Hao Jia, Akshay Naik*, Adrian Bachtold, Rui Yang*, Philip X.-L. Feng*, and Zenghui Wang* Nanomechanical Resonators: Toward Atomic Scale. ACS Nano (2022). https://doi.org/10.1021/acsnano.2c01673.