近日，電子科技大學(xué)王曾暉團(tuán)隊(duì)與肖旭團(tuán)隊(duì)合作報(bào)道了基于MXene材料Ti3C2Tx二維晶體的納米機(jī)電諧振器，成功測定了此類二維材料的彈性模量，闡明了此類器件的頻率設(shè)計(jì)及調(diào)控規(guī)律，并展示了其作為真空壓強(qiáng)傳感器的應(yīng)用潛力。相關(guān)論文以Electrically Tunable MXene Nanomechanical Resonators Vibrating at Very High Frequencies為題發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊ACS Nano。

過渡金屬炭氮氧化物（MXene）是一類已被廣泛應(yīng)用于儲能、催化等領(lǐng)域的二維無機(jī)化合物。其中，Ti3C2Tx是最早被制備和研究的MXene材料之一，對其各類材料性質(zhì)和應(yīng)用已有很多研究。目前，在絕大多數(shù)MXene器件研究中，MXene材料都是以薄膜或者材料添加物的形態(tài)出現(xiàn)；在少數(shù)涉及二維晶體的器件研究中，MXene也是作為導(dǎo)電材料，用于和其他的二維半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)電學(xué)接觸。相比之下，基于二維MXene晶體的器件研究則少得多，而同時(shí)發(fā)掘MXene晶體中多項(xiàng)材料特性（如電學(xué)+力學(xué)）的器件研究則更為罕見。

針對這一現(xiàn)狀，電子科技大學(xué)的研究者們探索并實(shí)現(xiàn)了基于二維MXene晶體的納米機(jī)電諧振器，利用材料的導(dǎo)電特性首次同時(shí)實(shí)現(xiàn)了此類器件的諧振激勵和頻率調(diào)控，并通過力學(xué)分析成功測定了二維Ti3C2Tx晶體的彈性模量。研究者們從調(diào)整材料合成方法和材料形貌出發(fā)，有針對性地改進(jìn)了傳統(tǒng)二維納機(jī)電諧振器的制備方法，成功實(shí)現(xiàn)了厚度從多層（>50）到少層再一直到單層的MXene納米機(jī)電諧振器制備。基于自主搭建的二維微納機(jī)電諧振器精密測量系統(tǒng)，研究者們大幅優(yōu)化了信號耦合途徑，利用光學(xué)干涉的方法成功觀測到了二維Ti3C2Tx納機(jī)電諧振器在受布朗熱運(yùn)動激勵下自發(fā)產(chǎn)生的熱機(jī)械振動，清晰地檢測到了幅度低達(dá)52 fm/√Hz的振動信號。在此基礎(chǔ)上，研究者們分別通過光熱效應(yīng)和靜電力驅(qū)動實(shí)現(xiàn)了對二維Ti3C2Tx機(jī)電諧振器的激勵，并測定其諧振響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)此類器件的基頻諧振頻率可高達(dá)甚高頻（VHF）頻段。

基于二維MXene晶體的納米機(jī)電諧振器及其頻率設(shè)計(jì)規(guī)律

進(jìn)一步，研究者們對二維Ti3C2Tx納米機(jī)電諧振器諧振頻率受氣壓調(diào)控的變化規(guī)律進(jìn)行了探索，驗(yàn)證了此類器件作為真空環(huán)境下壓強(qiáng)傳感器的可行性，并實(shí)現(xiàn)了高達(dá)736%/Torr的壓強(qiáng)響應(yīng)度和低至1.65×10?? Torr的工作壓強(qiáng)下限。此外，為了深入探索二維Ti3C2Tx的機(jī)械特性，研究者通過大量測試不同尺寸的器件，建立起了器件基模諧振頻率與直徑、厚度的完整關(guān)系，進(jìn)而確定了Ti3C2Tx材料的楊氏模量范圍（270~360 GPa），闡明了二維Ti3C2Tx諧振器的頻率設(shè)計(jì)規(guī)律，為后續(xù)二維Ti3C2Tx機(jī)電器件設(shè)計(jì)提供了有力參考。

審核編輯：郭婷