據麥姆斯咨詢報道，近日，電子科技大學王曾暉、徐博、朱健凱聯合上海交通大學楊睿（共同通訊作者）在Advanced Materials期刊發表題為“Artificially Designed 2D Composite Material with Tailored Thermal Expansion towards Temperature-Stable and Accurate Nanomechanical Pressure Sensors”的研究論文。論文第一作者為上海交通大學張鵬程。該研究得到了國家杰青等項目的支持。
近年來，具有原子級厚度的二維材料憑借其獨特的電子結構、高功能化表面、超輕質量及極高的比表面積，在傳感器領域展現出巨大潛力。特別是結合二維材料的納米機電系統（NEMS）更是實現了力、質量、位移及慣性等物理量的超高精度檢測，多項關鍵指標較傳統硅基器件提升數個數量級。這很大程度上得益于二維材料的原子級厚度，對應力變化極其敏感，天然適合構建基于頻率偏移的高性能諧振式傳感器。
然而，正是這種對應力的高度敏感，成為二維NEMS傳感器走向實際應用的主要障礙。環境溫度波動會引起二維材料的熱膨脹，從而改變其諧振頻率，產生遠大于真實信號的輸出漂移，導致傳感器溫度穩定性差、精度嚴重下降。
為攻克這一根本性難題，研究團隊創新性地利用二維材料的“層”自由度及其多樣化的熱膨脹特性，通過人工堆疊異質結精確調控不同熱膨脹層的行為，實現了熱膨脹效應的精準調控。在器件層面，團隊將該復合材料構建成二維納米機械諧振器，利用其溫度不敏感的頻率響應特性，使器件在環境溫度波動下仍能精確反映外界壓力等被測信號。該協同設計從根源上提升了傳感器的溫度穩定性與測量精度。
圖1 基于范德華異質結NEMS諧振器實現溫度穩定性的設計及概念示意圖
基于這一材料體系，團隊成功研制出兼具高精度和優異溫度穩定性的NEMS壓力傳感器。實驗結果表明，在200 K至400 K（覆蓋工業級-40℃至85℃、車規級-40℃至125℃）的寬溫度范圍內，器件的頻率波動僅為0.0034%/K，相比傳統單晶二維器件提升了兩個數量級以上。在1至250 mbar壓力范圍內，該傳感器的溫度穩定性壓力檢測信號誤差比提升了約2000倍。該研究不僅為二維材料的物性工程提供了全新思路，也為其在高精度、真實環境下的傳感應用鋪平了道路。
論文鏈接：
http://doi.org/10.1002/adma.73456
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