硅和石墨烯材料納機(jī)電系統(tǒng)的機(jī)電耦合特性研究.pdf

1、納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)是集成了電學(xué)和機(jī)械功能的納米尺寸器件，是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)進(jìn)一步小型化的延伸，但也具有納米尺度下不同于MEMS的特別之處。NEMS具有較小尺寸、較輕活動部件、高諧振頻率、高品質(zhì)因數(shù)等優(yōu)點，引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。這些優(yōu)點使NEMS適用于高速傳感器或執(zhí)行器、信號處理單元、化學(xué)物質(zhì)檢測器等應(yīng)用。另外，NEMS也被期望于從實驗上研究聲子介導(dǎo)的機(jī)械過程，介觀機(jī)械系統(tǒng)的量子行為等基礎(chǔ)物理問題。NEMS技術(shù)面對的重要

2、挑戰(zhàn)之一是設(shè)計驅(qū)動和檢測方法，使其不依賴于苛刻的溫度、壓力等環(huán)境，避免使用昂貴的大型設(shè)備，而且便于批量成產(chǎn)。該方法同時要能檢測到高頻率的納米尺寸位移。另外由于空氣阻尼的作用，在大氣環(huán)境下實現(xiàn)NEMS的高品質(zhì)因數(shù)也面臨很大挑戰(zhàn)。
　　 傳統(tǒng)的NEMS器件多使用半導(dǎo)體工業(yè)中的常用材料作為移動部件，其中硅材料自然成為廣泛的選擇。本文研究了利用場效應(yīng)來檢測硅NEMS器件的方法。制作了被稱為懸浮溝道場效應(yīng)管的NEMS器件，并在工藝上做了改

3、進(jìn)以提高器件的穩(wěn)定性和提供制作硅納米線的方法。同時用應(yīng)變硅場效應(yīng)管的理論計算載流子在應(yīng)變溝道中的遷移率，用有限元分析方法計算懸浮梁的位移隨偏壓的變化。結(jié)合上述仿真的結(jié)果，建立了較精確的機(jī)械電子耦合模型來描述器件的電壓電流特性。該模型被用來驗證實驗測得的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性，以及發(fā)現(xiàn)的差分負(fù)阻效應(yīng)，得到了較好的一致性。
　　 石墨烯是一層碳原子以二維六角蜂巢晶格而形成的材料。石墨烯由于優(yōu)秀的機(jī)械，電學(xué)和熱學(xué)特性，很適合制作NEMS器

4、件。實驗上和理論上對石墨烯NEMS的研究有了很大進(jìn)展，但仍缺少對機(jī)電耦合特性的系統(tǒng)研究。本文利用緊束縛模型和密度泛函理論等針對納米尺寸、考慮量子效應(yīng)的理論模型及計算方法，研究了石墨烯NEMS應(yīng)用中常見的機(jī)電耦合特性問題。這些問題包括彎曲石墨烯的電學(xué)特性，臺階狀石墨烯的電學(xué)輸運(yùn)特性，以及壓縮應(yīng)變下石墨烯的機(jī)械翹曲和電學(xué)特性。進(jìn)一步對兩種典型的石墨烯NEMS器件，即毫米波開關(guān)和壓力傳感器，、研究其在實際應(yīng)用中的特性。這些研究結(jié)果證明了石墨烯