北理工課題組在兩層碳原子賦能超靈敏加速度探測(cè)方面取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2025-04-10 供稿：前沿交叉科學(xué)院 攝影：前沿交叉科學(xué)院
編輯：楊婧 審核：鄭德智 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)前沿交叉研究院范緒閣教授課題組與中北大學(xué)極限環(huán)境光電動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)與儀器全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張文棟教授合作，在兩層碳原子賦能超靈敏加速度探測(cè)方面取得了重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Two Layers of Carbon Atoms Enable Ultrasensitive Detection of Acceleration”為題發(fā)表在國(guó)際知名期刊《ACS Nano》（中科院與JCR雙一區(qū)，IF：15.8），論文第一作者為北京理工大學(xué)丁潔副教授。通訊作者為北京理工大學(xué)范緒閣教授。
研究課題組以兩個(gè)碳原子層懸浮SiO2/Si質(zhì)量塊作為高靈敏加速度探測(cè)敏感結(jié)構(gòu)，兩層碳原子所懸浮的SiO2/Si質(zhì)量塊的重量是兩層碳原子自身重量的3萬(wàn)倍，所懸浮的SiO2/Si質(zhì)量塊的尺寸最小至10 μm × 10 μm × 16.4 μm。所研制的加速度傳感器原型器件的質(zhì)量塊體積標(biāo)準(zhǔn)化后的靈敏度比傳統(tǒng)硅基加速度傳感器至少高3個(gè)數(shù)量級(jí)，質(zhì)量塊的體積比傳統(tǒng)硅基加速度傳感器至少低3個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了兩層碳原子所構(gòu)成的懸浮石墨烯薄膜存在因諧振導(dǎo)致的顯著增強(qiáng)的電機(jī)械耦合壓阻傳感效應(yīng)，最終導(dǎo)致器件的高靈敏加速度探測(cè)。此外，課題組通過(guò)建模仿真，對(duì)器件進(jìn)行了進(jìn)一步的理論分析與研究。
圖1 兩層原子懸浮SiO2/Si質(zhì)量塊加速度敏感結(jié)構(gòu)示意圖、制備工藝流程圖及SEM圖、封裝鍵合及傳感機(jī)制示意圖
圖2 制備的石墨烯加速度傳感器的性能測(cè)試與比較
圖3 所制備的器件性能比較及封裝后的器件電學(xué)掃頻實(shí)驗(yàn)
圖4 未封裝的石墨烯加速度敏感芯片的動(dòng)態(tài)機(jī)械表征及建模仿真
論文詳情：Jie Ding, Hongliang Ma, Chang He, Wendong Zhang, and Xuge Fan*, Two Layers of Carbon Atoms Enable Ultra-sensitive Detection of Acceleration, ACS Nano 2025, 19, 12253?12261.
DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.5c00651
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c00651
本研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金（62171037 與62088101）、北京市自然科學(xué)基金 (4232076)、國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金（海外）、北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者人才支持計(jì)劃啟動(dòng)項(xiàng)目的資助。
附主要作者簡(jiǎn)介：
丁潔，第一作者，北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院副教授，博士畢業(yè)于英國(guó)格拉斯哥大學(xué)，導(dǎo)師為半導(dǎo)體器件建模與仿真領(lǐng)域國(guó)際著名學(xué)者Asen Asenov院士。研究方向?yàn)閭鞲衅鹘７抡?、機(jī)理與器件，新型半導(dǎo)體器件建模與仿真，CMOS器件、閃存器件的隨機(jī)漲落與可靠性研究，設(shè)計(jì)與工藝協(xié)同優(yōu)化方法（DTCO）。
馬鴻梁，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院在讀博士研究生。
何昶，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院在讀博士研究生。
張文棟，中北大學(xué)極限環(huán)境光電動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)與儀器全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、山西省人大教科文衛(wèi)工委副主任。曾任中北大學(xué)校長(zhǎng)、太原理工大學(xué)校長(zhǎng)、山西省教育廳廳長(zhǎng)、山西省政府副秘書(shū)長(zhǎng)等。長(zhǎng)期從事動(dòng)態(tài)測(cè)試和微米納米技術(shù)研究，先后主持完成國(guó)家重大科研項(xiàng)目40余項(xiàng)，已發(fā)表學(xué)術(shù)論文近400篇，出版專著8部，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利76項(xiàng)。獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)3項(xiàng)（排名第一2項(xiàng)，第二1項(xiàng)）、三等獎(jiǎng)1項(xiàng)、國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、何梁何利基金“科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)”、省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一、二等獎(jiǎng)9項(xiàng)、國(guó)家教學(xué)成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。先后被授予“全國(guó)先進(jìn)工作者”稱號(hào)、“國(guó)家有突出貢獻(xiàn)的中青年專家”稱號(hào)、“全國(guó)五一勞動(dòng)獎(jiǎng)”章、“第5屆中國(guó)青年科技獎(jiǎng)”章等獎(jiǎng)勵(lì)。研究成果已在國(guó)家重大和重點(diǎn)工程得到廣泛應(yīng)用。
范緒閣，通訊作者，北京理工大學(xué)前沿交叉研究院教授，北京理工大學(xué)特立青年學(xué)者。主要從事微納機(jī)電系統(tǒng)（MEMS/NEMS）、微納傳感器、微納加工、石墨烯等敏感薄膜方向的研究。近年來(lái)，以一作或通訊在Nature Electronics、Science Advances、Nano Letters、Microsystems & Nanoengineering、Chemical Engineering Journal、Small、Carbon、ACS AMI等國(guó)際重要期刊與會(huì)議發(fā)表近40篇論文，申請(qǐng)及授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利15項(xiàng)，獲MINE2024優(yōu)秀青年科學(xué)家獎(jiǎng)?？萍疾恐攸c(diǎn)研發(fā)計(jì)劃指南編制專家組成員及項(xiàng)目評(píng)審人，國(guó)家自然科學(xué)基金委、工業(yè)和信息化部、科技部、中國(guó)博士后管理委員會(huì)、國(guó)家留學(xué)基金委等部門(mén)的項(xiàng)目評(píng)審人。研究方向?yàn)槲⒓{機(jī)電系統(tǒng)（MEMS/NEMS）、微納傳感器、微納加工、石墨烯等敏感薄膜。
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