近日，电子科技大学王曾晖、徐博、朱健凯联合上海交通大学杨睿（共同通讯作者）在Advanced Materials发表题为“Artificially Designed 2D Composite Material with Tailored Thermal Expansion towards Temperature-Stable and Accurate Nanomechanical Pressure Sensors”的研究论文。论文第一作者为上海交通大学张鹏程。该研究得到了国家杰青等项目的支持。
近年来，具有原子级厚度的二维材料凭借其独特的电子结构、高功能化表面、超轻质量及极高的比表面积，在传感器领域展现出巨大潜力。特别是结合二维材料的纳米机电系统（NEMS）更是实现了力、质量、位移及惯性等物理量的超高精度检测，多项关键指标较传统硅基器件提升数个数量级。这很大程度上得益于二维材料的原子级厚度，对应力变化极其敏感，天然适合构建基于频率偏移的高性能谐振式传感器。
然而，正是这种对应力的高度敏感，成为二维NEMS传感器走向实际应用的主要障碍。环境温度波动会引起二维材料的热膨胀，从而改变其谐振频率，产生远大于真实信号的输出漂移，导致传感器温度稳定性差、精度严重下降。
为攻克这一根本性难题，研究团队创新性地利用二维材料的“层”自由度及其多样化的热膨胀特性，通过人工堆叠异质结精确调控不同热膨胀层的行为，实现了热膨胀效应的精准调控。在器件层面，团队将该复合材料构建成二维纳米机械谐振器，利用其温度不敏感的频率响应特性，使器件在环境温度波动下仍能精确反映外界压力等被测信号。该协同设计从根源上提升了传感器的温度稳定性与测量精度。
基于这一材料体系，团队成功研制出兼具高灵敏度和优异温度稳定性的NEMS压力传感器。实验结果表明，在200 K至400 K（覆盖工业级-40℃至85℃、车规级-40℃至125℃）的宽温度范围内，器件的频率波动仅为0.0034%/K，相比传统单晶二维器件提升了两个数量级以上。在1至250 mbar压力范围内，该传感器的温度稳定性压力检测信号误差比提升了约2000倍。该研究不仅为二维材料的物性工程提供了全新思路，也为其在高精度、真实环境下的传感应用铺平了道路。
论文链接：http://doi.org/10.1002/adma.73456
图1 基于范德华异质结NEMS谐振器实现温度稳定性的设计及概念示意图
