近日，上海市2019年度“科技创新行动计划” 青年科技英才扬帆计划项目资助名单公布，上海交通大学密西根学院杨睿、邵磊两位教师的“二维过渡金属二硫族化合物纳米机电谐振器的电信号传输及耗散机理研究”、“微纳机电谐振器的内禀耗散机理和极限品质因子”课题入选此项计划。
杨睿课题组的主要研究方向是纳米电子，包括忆阻器和纳米机电器件与系统。随着物联网等方向的发展，传感器的微型化、低功耗等特性越发重要。在这个趋势下，纳米机电系统（NEMS）谐振器在精密传感及射频信号处理等应用中有非常好的前景。二维材料只有单个或几个原子的厚度，代表了材料体积缩小的极限；有非常小的质量，使得维持振动产生的功耗很小；并且有非常好的机械性能，如很高的杨氏模量，以及超高的应变极限等。因此它们非常适合用于制备体积小、功耗低、灵敏度高、可调性强的NEMS谐振器。
二维二硫化钼的晶体结构和谐振器示意图
基于二维过渡金属二硫族化合物这类二维半导体材料的NEMS谐振器的很多性质和功能还没有被完全开发出来，如品质因数（Q）值还有待进一步提高、电信号传输机理未被充分理解、与其他电路的集成性和优化方法需要提高等，因此这些NEMS谐振器的性质和优化方法等还有待进一步研究。本项目将通过仿真和实验的方法研究二维过渡金属二硫族化合物NEMS谐振器的振动特性，使用电学读取和等效电路仿真等手段研究振动过程中的静电力、振幅、应变的变化及电场、压阻等多物理效应的作用机理。并且，本项目将研究二维半导体谐振器的耗散机理，以提高品质因数，为最终将二维半导体谐振器用于超高灵敏度的传感器及高性能的信号处理器件打下坚实的基础。
二维半导体NEMS谐振器的制备方法和模型分析
邵磊课题组的主要研究方向是微机电系统（micro-electromechanical systems，简称MEMS）。MEMS的狭义定义是各种用于驱动和传感的微机械结构，并和微电子的接口连接，且使用制造集成电路的硅微加工工艺制备。他的课题组主要在MEMS的以下3个主题展开研究工作：1）MEMS的设计构型，特别是和新颖的材料结构和片上硅光子器件融合的MEMS系统设计；2）使用于机器人中的MEMS以及微机械电子系统；3）针对MEMS的超精密测量、成像、控制。
在种类众多的MEMS器件中，MEMS谐振器是基于共振原理的机械结构，其谐振频率由结构的几何尺寸和材料的弹性波速决定，并和射频输入和输出端相连，犹如一个经典的电阻电容电感谐振电路。但是电容和电感体积太大难以集成，而MEMS振动结构十分容易缩小，所以容易和其他的片上微电子系统形成单片融合。更重要的是，MEMS谐振器具有超高的谐振频率、谐振品质因子Q值等优点，因此它们已被广泛使用于时间和频率控制、超精密检测、量子操控等方面，吸引了全世界众多的研究者的目光。现有的工作大致可分为3个部分：1）新结构的设计构型；2）新加工工艺的研发；3）新颖的器件表征测量系统。这也是本领域的难点和热点方向。
图1. 本项目提出的MEMS器件的示意图、以及所制备的声子晶体的某个周期的显微镜照片
本项目着重研究超高频的MEMS谐振器这一难题。首先，课题组会使用仿真计算来设计构型，结合纳米尺度的声子晶体来局域谐振的弹性能（如图1所示）。这一结构将限制绝大部分能量耗散而只剩下内禀耗散，因此有望得到超高的谐振频率和超高的品质因子Q值。同时，这一器件将被用于研究内禀能量耗散、声子碰撞、Landau-Rumer效应等一些列科学问题。
图2. 超高频微机械振动光学测量系统的示意图和照片
其次，本项目也将搭建用于测量GHz波段的MEMS谐振器的超精密光学测量系统。这一课题十分重要，因为光学成像方法可以对MEMS谐振器提供直观的可视化的表征，比如非线性动力、能量耗散机制、振动模式等，从而改进MEMS器件。本项目将探索一种可以测量10 GHz以上、亚皮米精度的干涉仪，将基于频闪检测的方法来转换超高频的谐振，搭建一台宽频谱的GHz波段的干涉仪（如图2所示）。这一台测量系统将使用于图1所示的器件的测量表征。
背景介绍
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杨睿，上海交通大学密西根学院助理教授，博士生导师。2011年在天津大学本科毕业，2016年在美国凯斯西储大学获得博士学位，2016至2018年在美国斯坦福大学从事博士后研究工作。2018年8月加入密西根学院，主要研究方向包括忆阻器、纳米机电系统、二维器件等。现任SCI期刊《Micro & Nano Letters》的副编辑（Associate Editor），以及SCI期刊《Nanotechnology》的综述文章的主编（Reviews Editor）。 |
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邵磊，2009年获得上海交通大学机械工程的学士学位。2011年和2014年分别获得密西根大学机械工程的硕士学位和博士学位。在博士毕业前，以主持人的身份申请了美国国家标准技术研究院（NIST）的测量科学和工程研究项目并获得了资助。因此，于博士毕业后以外籍客座研究员的身份全职工作于NIST，直至2018年。同年加入密西根学院任教。在MEMS、换能器、谐振器、传感器以及它们的光学测量技术等领域发表了多篇重要的学术论文。 |
