SCIENCE CHINA Information Sciences：微纳机电精密测量中的信号“隐身”与“现身”

近日，电子科技大学的王曾晖课题组与上海交通大学的杨睿课题组联合报道了在二维纳机电器件中实现对激光干涉位移测量响应度的高效栅压调控。文章在线发表于《中国科学 信息科学》（SCIENCE CHINA Information Sciences）。

微纳机电系统（M/NEMS）是带有机械自由度的微纳信息器件，在传感、射频信号处理等应用中发挥着重要的作用；而对其微小机械运动的精密测量，是此类器件研究和应用中的重要一环。随着人们对器件性能的不懈追求，尺度上更微小的微纳机电器件不断在实验上被实现；与此同时，对其机械运动的精密测量也变得越来越具有挑战性。特别是基于二维材料构建的各类新型二维纳机电系统，其机械运动部分可薄至单层原子，因此实验研究中的一个关键挑战就是在此类原子级厚度的结构中准确、高效地检测出极其微小的机械运动。

目前，激光干涉测量技术由于具有非常高的探测效率，被广泛应用于NEMS系统的机械振动测量。本论文的研究者们长期从事微纳机电精密测量研究，此前在薄至单层二维材料的二维纳机电谐振器中，利用激光干涉技术成功测量到了器件微小位移的极限—布朗谐振运动（即无外力驱动下，完全由原子热运动导致的及其微小的热机械噪声谐振信号），展示了激光干涉测量的巨大潜力。然而，这样高效的测量是否在不同的微纳机电器件中都能实现？对于给定的器件，如何通过可控、连续的方式来实现测量效率的调制和优化？在强大的激光干涉测量技术面前，器件的机械运动能否做到可控的“隐身”和“现身”？这一系列问题，仍有待进一步探索和阐明。

电子科技大学和上海交通大学的研究者们在《中国科学 信息科学》近期发表的论文“Analyzing electrostatic modulation of signal transduction efficiency in MoS₂ nanoelectromechanical resonators with interferometric readout”中，提出并深入分析了能够对光学干涉测量的响应率实现高效调控的一种方案。该研究表明，通过静电作用调控谐振器件中悬浮二维结构与栅极间的间距，能够实现响应率的有效调控，从0响应率一直连续调节到高响应率。研究者们进一步展示了二维二硫化钼(MoS₂)鼓膜谐振器在不同的二硫化钼层数、器件直径、预应力、初始真空间隙等器件参数下，0响应率所对应的栅级电压；这意味着在特定条件下，器件的机械运动将对激光干涉技术“隐身”，变得无法测量；而通过进一步操作，利用栅压将器件结构调控至非0响应率乃至最高响应率的区间，则能够让原本“隐身”的器件机械运动再次“现身”。

这些研究成果有助于对利用激光干涉法研究二维纳机电系统提供指导，尤其是针对不同结构的器件中，如何利用栅级电压调控实现机械运动探测的响应率最优化提供重要的思路和参考。

论文的共同第一作者包括电子科技大学博士生朱健凯和上海交通大学博士生张鹏程；王曾晖教授与杨睿教授为共同通讯作者。

《中国科学 信息科学》由中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办、《中国科学》杂志社出版，入选中国科技期刊卓越行动计划重点类期刊，在科睿唯安2020年度《期刊引证报告》中位居国际信息科学期刊排名Q1区，是我国出版的在信息科学领域具有国际影响力的科技期刊。

论文链接：https://www.sciengine.com/publisher/scp/journal/SCIS/doi/10.1007/s11432-021-3297-x

(a) 纳机电器件的结构及激光干涉过程示意图。 (b) 器件整体反射率与二维材料下真空间隙深度的关系；该曲线斜率为0处即为0响应率点。 (c) 激光干涉测量机械运动的响应率（绝对值）与二维材料下真空间隙深度的关系；其中0响应率点清晰可见。图片来源及版权：《中国科学 信息科学》及论文作者（转载请务必保留此版权说明，以免引起版权纠纷及诉讼）

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