基于二维范德华晶体的室温吉赫兹多模纳米机械谐振器

《SCIENCE ADVANCES》：Gigahertz multimode vibrations in graphene and MoS2 nanomechanical resonators at room temperature

本研究针对二维纳米机械谐振器在室温下难以实现吉赫兹频率弯曲模态振动的技术瓶颈，研究人员通过探索高阶弯曲模态这一替代路径，首次在室温下成功测量了多层二硫化钼和少层石墨烯纳米机械谐振器高达约1.09 GHz的多模振动，并获得了高达约5400的品质因数。这项工作突破了传统频率-品质因数权衡的限制，为开发应用于传感、信号处理和量子工程的超高频/吉赫兹器件开辟了新途径，具有重要的基础研究价值和广阔的应用前景。

　　

在纳米科技的微型世界里，让一个只有几个原子厚、直径仅几微米的薄膜像鼓面一样高速振动，并精确探测其运动，是一项极具挑战性的前沿技术。这种基于二维材料的纳米机械谐振器，因其优异的机械、电学和光学性质，被视为未来传感器、信号处理器乃至量子设备的理想候选者。然而，长期以来，一个关键的技术瓶颈横亘在前：如何在室温条件下，让这些原子层厚度的器件振动频率突破吉赫兹（GHz，十亿赫兹）大关？传统上，要实现如此高的基频（fundamental mode），往往需要将器件尺寸缩小到亚微米尺度，这不仅给微纳加工带来巨大困难，还会导致信号难以探测，更会引发频率升高、品质因数下降的“f-Q权衡”难题，最终使器件性能大打折扣。此外，大多数已报道的吉赫兹频率机械振动，都是在接近绝对零度的极低温和超高真空的苛刻环境中观测到的，极大地限制了其实际应用。因此，能否在室温、常规环境下实现二维材料的吉赫兹振动，并同时保持高振动品质，成为了该领域亟待攻克的核心挑战。

本研究发表在《SCIENCE ADVANCES》上，它另辟蹊径，绕过了制作超小尺寸器件以提升基频的艰难路径，转而探索器件的高阶弯曲振动模态（high-order flexural modes）。这种方法的核心思想是：对于一个固定尺寸的圆形“鼓面”谐振器，除了整体的上下振动（基频），它还可以有更复杂的振动模式，比如分成几个扇形区域此起彼伏地振动（对应不同数量的节径，nodal diameters），或者像同心圆环一样波动（对应不同数量的节圆，nodal circles）。这些高阶模式的频率可以远高于基频。通过精心设计实验系统，研究人员成功捕捉到了这些在室温下发生的、频率高达吉赫兹的高阶振动，并揭示了其独特的性能规律。

为开展此项研究，作者主要运用了以下几项关键技术方法：首先，采用机械剥离法结合湿法转移技术，制备了基于多层二硫化钼（MoS₂）的“板”或“盘”状谐振器以及基于少层石墨烯和MoS_{2>的“膜”状谐振器。其次，搭建了专门定制的激光干涉测量系统，该系统集成了低噪声、高速光电探测器和低噪声、高增益放大器，以灵敏地激发和探测超高频/吉赫兹（UHF/GHz）频段的微小机械振动。此外，研究还结合了原子力显微镜（AFM）进行厚度表征，利用拉曼光谱和光致发光光谱（PL）鉴定材料层数与质量，并采用有限元建模（FEM）对振动模态形状进行模拟和匹配分析。}

研究结果

多层二硫化钼纳米机械谐振器中的UHF/GHz多模振动

研究人员首先表征了处于“板”状态的多层MoS₂鼓面谐振器。在频率1至1100 MHz范围内，明确识别出多个机械共振峰。例如，在D1和D2两个器件中，分别观测到高达约1.07 GHz和1.09 GHz的共振频率。通过阻尼谐振子模型拟合，提取出的品质因数最高可达约5400。这标志着首次在室温下观测到二维纳米机械谐振器的吉赫兹弯曲振动。

少层石墨烯和二硫化钼纳米机械谐振器中的UHF/GHz多模振动

随后，研究考察了处于“膜”状态的谐振器。在一个少层石墨烯器件中，测量到频率高达1.03 GHz的振动模式，其品质因数约为4500。一个四层MoS₂器件则显示出高达545.91 MHz的共振频率和约3400的品质因数。这些结果证明了基于范德华材料的谐振器在膜状态下也能实现高性能的UHF振动。

理解UHF/GHz频段的振动模式

通过有限元建模将模拟的振动模态与实验测量的共振频率进行匹配，研究人员成功解释了观测到的高阶共振模式。分析表明，在超高频（UHF）频段，品质因数Q随着模态频率的增加而显著增强，与已知的f-Q权衡规律相反。研究发现了一个经验性的标度关系：Q_m,n∝ f_m,n^2.2。这暗示对于高阶UHF/GHz模式，热弹性阻尼、锚点损耗和空气阻尼等耗散机制可能减弱。

理解UHF/GHz频段的多模位移

研究进一步通过校准位移-电压响应度，测量并计算了高阶振动模式的实际位移幅度。结果表明，从基频到UHF模式，振动位移下降了约3个数量级，达到了皮米级别。通过与理论模型预测比较，证实了实验测量的可靠性。理论预测还展示了如何根据器件的直径和厚度，来预估其接近1 GHz的振动位移，为设计GHz谐振器提供了指导。

研究结论与讨论

本研究成功在室温下实现了石墨烯和MoS₂纳米机械谐振器的超高频/吉赫兹振动，测得的多模共振频率最高达~1.09 GHz，品质因数最高约5400，达到了目前报道的室温二维原子层谐振器中的最高水平，并获得了高达~5 × 10¹²Hz的f × Q乘积。

这项工作的重要发现在于，高阶振动模式不仅提供了通往吉赫兹频率的可行路径，还伴随着品质因数的显著提升，成功规避了传统的f-Q权衡困境。这一特性在多个应用领域展现出巨大潜力。在质量传感方面，模拟计算表明，与基频模式相比，吉赫兹高阶模式对点质量负载的响应灵敏度可提升超过40倍，对均匀质量负载的响应灵敏度可提升约70倍。在射频信号处理方面，理论计算显示，通过施加微小应变，吉赫兹模式的频率可被调谐至高达6 GHz，展现出优异的可调谐性。

尤为引人注目的是，本研究所实现的f × Q乘积已非常接近实现量子基态冷却所需的阈值（f × Q > k_BT_ambient/h ≈ 6.2 × 10¹²Hz）。这意味着这些室温下工作的吉赫兹二维谐振器，未来结合光力学冷却和低温冷却技术，有望成为探索宏观量子现象和实现量子极限传感器的有前景的平台。

总之，该研究不仅首次在室温下实现了二维材料的吉赫兹机械振动，还揭示了高阶模式在提升器件性能方面的独特优势，为开发下一代高性能纳米机电（NEMS）和纳米光力学（NOMS）器件奠定了坚实的基础。