近日，北京理工大學(xué)前沿交叉研究院范緒閣教授課題組與中北大學(xué)極限環(huán)境光電動態(tài)測試技術(shù)與儀器全國重點實驗室張文棟教授合作，在兩層碳原子賦能超靈敏加速度探測方面取得了重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Two Layers of Carbon Atoms Enable Ultrasensitive Detection of Acceleration”為題發(fā)表在國際知名期刊《ACS Nano》（中科院與JCR雙一區(qū)，IF：15.8），論文第一作者為北京理工大學(xué)丁潔副教授。通訊作者為北京理工大學(xué)范緒閣教授。

研究課題組以兩個碳原子層懸浮SiO2/Si質(zhì)量塊作為高靈敏加速度探測敏感結(jié)構(gòu)，兩層碳原子所懸浮的SiO2/Si質(zhì)量塊的重量是兩層碳原子自身重量的3萬倍，所懸浮的SiO2/Si質(zhì)量塊的尺寸最小至10 μm × 10 μm × 16.4 μm。所研制的加速度傳感器原型器件的質(zhì)量塊體積標(biāo)準(zhǔn)化后的靈敏度比傳統(tǒng)硅基加速度傳感器至少高3個數(shù)量級，質(zhì)量塊的體積比傳統(tǒng)硅基加速度傳感器至少低3個數(shù)量級。實驗驗證了兩層碳原子所構(gòu)成的懸浮石墨烯薄膜存在因諧振導(dǎo)致的顯著增強(qiáng)的電機(jī)械耦合壓阻傳感效應(yīng)，最終導(dǎo)致器件的高靈敏加速度探測。此外，課題組通過建模仿真，對器件進(jìn)行了進(jìn)一步的理論分析與研究。

圖1 兩層原子懸浮SiO2/Si質(zhì)量塊加速度敏感結(jié)構(gòu)示意圖、制備工藝流程圖及SEM圖、封裝鍵合及傳感機(jī)制示意圖

圖2 制備的石墨烯加速度傳感器的性能測試與比較

圖3 所制備的器件性能比較及封裝后的器件電學(xué)掃頻實驗

圖4 未封裝的石墨烯加速度敏感芯片的動態(tài)機(jī)械表征及建模仿真

附主要作者簡介：

丁潔，第一作者，北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院副教授，博士畢業(yè)于英國格拉斯哥大學(xué)，導(dǎo)師為半導(dǎo)體器件建模與仿真領(lǐng)域國際著名學(xué)者Asen Asenov院士。研究方向為傳感器建模仿真、機(jī)理與器件，新型半導(dǎo)體器件建模與仿真，CMOS器件、閃存器件的隨機(jī)漲落與可靠性研究，設(shè)計與工藝協(xié)同優(yōu)化方法（DTCO）。

馬鴻梁，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院在讀博士研究生。

何昶，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院在讀博士研究生。

張文棟，中北大學(xué)極限環(huán)境光電動態(tài)測試技術(shù)與儀器全國重點實驗室教授、山西省人大教科文衛(wèi)工委副主任。曾任中北大學(xué)校長、太原理工大學(xué)校長、山西省教育廳廳長、山西省政府副秘書長等。長期從事動態(tài)測試和微米納米技術(shù)研究，先后主持完成國家重大科研項目40余項，已發(fā)表學(xué)術(shù)論文近400篇，出版專著8部，授權(quán)國家發(fā)明專利76項。獲得國家科學(xué)技術(shù)發(fā)明二等獎3項（排名第一2項，第二1項）、三等獎1項、國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎1項、何梁何利基金“科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新獎”、省部級科技進(jìn)步獎一、二等獎9項、國家教學(xué)成果二等獎1項。先后被授予“全國先進(jìn)工作者”稱號、“國家有突出貢獻(xiàn)的中青年專家”稱號、“全國五一勞動獎”章、“第5屆中國青年科技獎”章等獎勵。研究成果已在國家重大和重點工程得到廣泛應(yīng)用。

范緒閣，通訊作者，北京理工大學(xué)前沿交叉研究院教授，北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者。主要從事微納機(jī)電系統(tǒng)（MEMS/NEMS）、微納傳感器、微納加工、石墨烯等敏感薄膜方向的研究。近年來，以一作或通訊在Nature Electronics、Science Advances、Nano Letters、Microsystems & Nanoengineering、Chemical Engineering Journal、Small、Carbon、ACS AMI等國際重要期刊與會議發(fā)表近40篇論文，申請及授權(quán)中國發(fā)明專利15項，獲MINE2024優(yōu)秀青年科學(xué)家獎?？萍疾恐攸c研發(fā)計劃指南編制專家組成員及項目評審人，國家自然科學(xué)基金委、工業(yè)與信息化部、科技部、中國博士后管理委員會、國家留學(xué)基金委等部門的項目評審人。研究方向為微納機(jī)電系統(tǒng)（MEMS/NEMS）、微納傳感器、微納加工、石墨烯等敏感薄膜。