基于石墨烯材料的微波纳机电谐振器研究

微波机电谐振器在高品质因素微波器件、高灵敏度传感器、单分子检测器和宏观量子效应检测等领域上有着广阔的应用前景。由于石墨烯材料具有纳米级物理尺寸、二维平面物理结构、优秀的机械性能和电性能，因此石墨烯纳机电谐振器在器件制备、激励与检测等关键技术上具有其它材料器件无法比拟的优势，是目前纳机电系统(NEMS)研究热点。然而由于器件结构不完善、制备工艺不够成熟和高效率激励与检测技术的缺乏，目前石墨烯纳机电谐振器的最高工作频率仍低于200MHz。为实现微波频段的石墨烯纳机电谐振器，本项目提出了基于石墨烯/氧化石墨烯（G/GO）固支梁的纳机电谐振器结构及其制备方法，并基于微波半导体器件特性，提出了基于谐振沟道晶体管(RCT)的激励与检测方法，利用该方法可实现高效的全电学微波信号直接激励和检测。本项目的研究成果对指导石墨烯纳米器件的制备和加速微波机电谐振器在NEMS中的应用有着重要意义。

针对石墨烯微波纳米机电谐振器，本项目组在石墨烯材料微波特性表征的基础上，研究了石墨烯纳米机电谐振器的器件制备、石墨烯纳米机电谐振器工作机理及其建模、纳米机电谐振器测试系统、微波频段石墨烯纳米机电谐振器的实现等。在三年的研究期内按照计划方案顺利进行，完成了石墨烯高频纳米机电谐振器制备，开发了高频（最高工作频率10GHz）、低温（最低可达77K）、真空测试系统，测试结果表明对于栅长为1μm的器件最高谐振频率大于80MHz；提出了石墨烯谐振沟道晶体管工作机理高频等效电路模型，仿真与实测结果表明模型具有很好的指导意义；基于该高频等效电路模型进行了微波频段石墨烯纳米机电谐振器的优化设计，提出了基于石墨烯/氧化石墨烯复合梁的器件结构，仿真结果表明该器件最高工作频率>350MHz，并完成了石墨烯/氧化石墨烯复合梁纳米机电谐振器的工艺开发，探索了基于柔性衬底、光刻聚合物等多种新型的器件制备方法。在Applied Physics Letters、IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques、IEEE MTT-S International Microwave Symposium等期刊会议上发表与相关的学术论文20多篇，其中SCI检索13篇，国际会议分会场特邀学术报告3个，申请国家发明专利3项。