Mapping the nanomechanical properties of graphene suspended on silica nanoparticles
使用纳米颗粒在石墨烯中赋予非本征波纹是一种相对较新的诱导应变和定制石墨烯性质的方法。在这里，我们研究的结构和弹性性能的石墨烯生长的化学气相沉积和转移到一个连续层的SiO2纳米粒子的直径约为25 nm，制备的Langmuir-Blodgett技术在Si衬底上。我们表明，转移石墨烯如下仅大致的纳米粒子诱导的形态。桥接纳米颗粒的石墨烯膜部分是悬浮的，并且与支撑的石墨烯部分相比，它们对AFM针尖的粘附力更大。这些悬浮的石墨烯区域可以用10 nN量级的力变形。石墨烯的弹性模量由在直径在100 nm范围内的悬浮膜区域上进行的压痕测量确定。
2016-07-26 cond-mat.mes-hall
Evidence of surface loss as ubiquitous limiting damping mechanism in SiN micro- and nanomechanical resonators
氮化硅（SiN）微机械和纳米机械谐振器由于其异常高的品质因数（$Q$ s）而在各个研究领域中吸引了大量的关注。尽管它们很受欢迎，但这些结构中限制损失机制的起源仍然存在争议。本文提出了一种结合声辐射损失和固有损失的分析模型。该模型准确地预测得到的模式依赖的$Q$的低应力富硅和高应力化学计量SiN膜。低应力膜与衬底的大的声学失配似乎使辐射损耗最小化，并且较高模式的$Q$（$n \wedge m \geq 3$）受到固有损耗的限制。对具有不同长度$L$和厚度$h$的低应力膜中的这些固有损耗的研究揭示了对于独立于$L$的薄谐振器，固有损耗与$h$的逆线性依赖性。通过比较从文献中提取的任意（膜、弦和杠杆）SiN谐振器的固有耗散，证实了这一发现，表明表面损耗是具有$Q_{surf} = β\cdot h$和$β= 6\times10^{10} \pm4\times 10^{10}$ ~m $^{-1}$的薄SiN谐振器中普遍存在的阻尼机制。基于固有损耗，给出了SiN膜和SiN串的最大可达$Q$和$Q\cdot f$产品。
2014-06-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Polarimetric analysis of stress anisotropy in nanomechanical silicon nitride resonators
我们实现了一个圆形的灰场偏光镜图像应力引起的双折射薄（亚微米厚）氮化硅（SiN）膜和字符串。这使得主应力和应力各向异性的取向的定量映射成为可能，与有限元建模（FEM）互补并一致。此外，使用一个众所周知的应力各向异性的样品，我们提取一个新的值的光弹性（布鲁斯特）系数的氮化硅，$C \approx (3.4~\pm~0.1)\times~10^{-6}~\mathrm{MPa}^{-1}$。我们探讨了可能的应用方法来分析和质量控制与声子晶体图案的应力膜
2017-02-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantitative signal extraction in the dynamic range of nanomechanical systems by free and constrained fitting
我们提出了一个自由和约束拟合过程中的动态范围内的纳米机械系统的定量信号提取和物理模型测试。我们表明，施加自由拟合过程中的氮化硅（SiN）纳米膜在不同的压力下测得的频率响应，使我们能够解开固有的膜振动特性的系统响应，从而定量访问的本征频率，品质因数，谐振器和驱动系统之间的耦合强度，和系统噪声。对于诸如激励、波动和阻尼机制等物理量的物理模型的有效性可以通过在不同物理参数之间施加额外的数学联系作为约束拟合过程中的约束来验证。我们验证了性能的约束拟合过程中测试的相同样品在各种实验设置。
2022-03-26 cond-mat.mes-hall
Thermal transport and frequency response of localized modes on low-stress nanomechanical silicon nitride drums featuring a phononic bandgap structure
用于检测辐射、单个纳米颗粒或单个分子等的宽带热传感器的开发是非常感兴趣的。近年来，光热光谱的基础上的位移的谐振频率的应力纳米机械谐振器已被成功地证明。在这里，我们显示的应用程序的软夹声子晶体膜制成的氮化硅作为热传感器。它是实验证明如何准带隙保持即使在非常低的拉伸应力，与有限元方法模拟。的基本缺陷模式的相对响应度的增加被发现相比，均匀的正方形膜的大小相等，增强因子大的一个数量级。然后，我们展示了在纳米机械蹦床内部设计的声子晶体，这导致了拉伸应力的进一步降低和热隔离的增加，从而进一步提高了响应度。最后，缺陷模式和带隙调谐示出了通过激光加热的缺陷的基本缺陷模式完全离开带隙的点。
2020-05-21 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Nanomechanical strain concentration on a 2D nanobridge within a large suspended bilayer graphene for molecular mass detection
应变梯度工程的出现直接影响到二维材料的纳米力学、光电子学和热输运等领域。更具体地说，在非常高的应力下的大悬浮石墨烯代表了通过独特的分子反应进行纳米机械质量检测的精髓。已经使用不同的技术来在2D材料中诱导应变，例如通过在石墨烯膜上施加尖端压痕、压力或衬底弯曲。然而，控制结构应变的有效方法是设计系统几何形状，如日常生活中的建筑和声学所示。类似地，我们研究了具有不同几何形状和长度范围从10到40微米的悬浮外延双层石墨烯膜中的人工纳米收缩（~100 nm）中的应变浓度。我们仔细地从显微拉曼测量中分离出应变特征，并通过分析我们的拉曼峰的加宽形状（高达100 cm-1）来提取低于激光光斑尺寸的尺度上的信息。我们可能在纳米收缩中测量到高达5%的强应变集中，这是原生外延石墨烯应变的20倍。此外，对于双层石墨烯，我们的配置自然地增强了上下石墨烯层之间的天然不对称应变。与以前的结果相反，由于我们的结构方法，我们可以在石墨烯中实现任何类型的复杂应变张量。该方法完善了以前的应变诱导技术，并为基于双层石墨烯和2D异质结构的器件开辟了新的前景。
2019-01-24 cond-mat.mes-hall
Time-domain response of atomically thin $\mathrm{MoS_2}$ nanomechanical resonators
我们测量的能量弛豫率的单层和少层二硫化钼（$\mathrm{MoS_2}$）纳米机械谐振器通过检测谐振器衰荡。最近在这些设备上的实验表明，在室温下进行光谱测量时，质量（Q）因子非常低。低光谱Q因子的起源是一个悬而未决的问题，有人提出，除了耗散过程，频率波动有助于显着的谐振线宽。然而，迄今为止进行的光谱测量不允许区分这两个过程。在这里，我们使用时域测量来量化耗散。我们比较从衰荡测量获得的Q因子，从热噪声谱和驱动器件的频率响应获得的Q因子。在几层和单层$\mathrm{MoS_2}$谐振器中，两者非常一致，这表明在室温下$\mathrm{MoS_2}$膜中的谱线宽度受到耗散的限制，并且过量的谱增宽起着可忽略的作用。
2014-08-07 cond-mat.mes-hall
Performance of Monolayer Graphene Nanomechanical Resonators with Electrical Readout
石墨烯的巨大刚度和低密度使其成为纳米机电（NEMS）应用的理想材料。我们展示了单层石墨烯谐振器的制造和电读出，并测试它们对质量和温度变化的响应。这些器件显示出MHz范围内的谐振。谐振频率对所施加的栅极电压的强烈依赖性可以拟合到膜模型，该膜模型产生质量密度和内建应变。在去除和添加质量后，我们观察到密度和应变的变化，表明吸附物赋予石墨烯张力。在冷却时，频率增加;移动速率可用于测量石墨烯的不寻常的负热膨胀系数。品质因数随温度的降低而增加，在5 K时达到~ 10，000。通过建立单层石墨烯谐振器的许多基本属性，这些研究为应用奠定了基础，包括高灵敏度质量检测器。
2009-08-31 cond-mat.mes-hall
GHz nanomechanical resonator in an ultraclean suspended graphene p-n junction
我们展示了弹道石墨烯pn结中的高频机械谐振器。具有两个底栅的全悬浮石墨烯器件在电流退火后表现出弹道双极行为。我们确定的石墨烯质量密度和内置的张力不同的电流退火步骤通过比较测得的机械共振响应的简化膜模型。我们一致地发现，在最后的退火步骤之后，质量密度与纯石墨烯的预期密度相当。在具有高内建张力但仍具有尺寸为3 $\times$ 1 $μm^{2}$的宏观尺寸的石墨烯膜中，在最终电流退火步骤之后观察到1.17 GHz的记录共振频率。我们进一步比较了在单极与双极制度中的一个测量的谐振响应。值得注意的是，共振信号在双极区被强烈增强。这种增强部分地由出现在双极区中的法布里-珀罗共振引起，并且还可能由在微波照射下在石墨烯pn结中非常明显的光电效应引起。
2019-02-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Deviation from the normal mode expansion in a coupled graphene-nanomechanical system
我们光机械测量的纳米机械系统的振动由石墨烯膜悬浮在氮化硅纳米谐振器。当探测耦合纳米机械器件的热噪声时，我们观察到与正常模式展开的显著偏差。它起源于耦合本征模的空间延伸上的机械耗散的异质性，这违反了采用这种常用的纳米谐振器的热噪声描述的基本先决条件之一。随后，我们测量局部机械磁化率，并证明波动耗散定理仍然成立，并允许适当的评估的纳米机械系统的热噪声。由于在纳米级确保良好的空间均匀性自然变得微妙，因此这种方法对于正确描述最终影响其传感能力的纳米机械系统的热噪声至关重要。
2016-01-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el quant-ph
Nanomechanical absorption spectroscopy of 2D materials with femtowatt sensitivity
纳米力学光谱学（NMS）是最近发展起来的一种通过力学测量来确定纳米材料的光学吸收光谱的方法。它基于测量薄膜谐振器的谐振频率与入射光的光子能量的变化。这种方法是一种直接测量吸收的方法，与普通的光谱学方法相比具有实际优势。在二维（2D）材料的情况下，NMS克服了传统光学方法固有的局限性，例如与高磁场和低温下的测量相关的复杂性。在这项工作中，我们开发了一种用于2D材料的NMS的协议，与以前的方法相比，该协议的灵敏度提高了两个数量级，同时更易于使用。为此，我们使用了电样品驱动，这简化了实验，并提供了可靠的校准，以获得更高的精度。此外，使用低应力氮化硅膜作为我们的衬底降低了噪声等效功率为$NEP = 890 fW/\sqrt{Hz}$，与商业半导体光电探测器相当。我们使用我们的方法光谱表征的二维过渡金属二硫属化物（WS $_2$），层状磁性半导体（CrPS $_4$），和等离子体超晶体组成的金纳米粒子。
2023-01-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Observation of Pull-in Instability in Graphene Membranes under Interfacial Forces
我们提出了一个独特的实验配置，使我们能够确定由最薄的机械结构，单层和几层石墨烯膜制成的几乎平行的板上的界面力。我们的方法包括使用跨石墨烯膜的压力差，以使膜在覆盖有SiOx或Au的圆形柱上方约10 - 20 nm内，直到达到临界点，由此膜卡扣成与柱的粘合剂接触。用AFM结合理论模型连续测量变形膜，使我们能够推导出石墨烯和SiOx以及石墨烯和Au之间的界面力的大小。在~10 - 20 nm间距处的界面力的性质与反四次方距离依赖性一致，这意味着界面力由范德华相互作用主导。此外，相互作用的强度被发现与石墨烯层的数量线性增加。该实验方法可用于测量其他原子级薄二维材料的界面力强度，并有助于指导开关，谐振器和传感器等纳米机械器件的开发。
2013-04-24 cond-mat.mes-hall
Force sensing with a graphene nanomechanical resonator coupled to photonic crystal guided resonances
本研究提出用光子晶体导模共振替代反射镜，通过模拟证明可将石墨烯纳米机械谐振器的力传感响应度提高一个数量级，实现低光功率、高信噪比的热振动分辨，为超灵敏力检测提供简单光学方案。
2025-07-09 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Nonlinear dynamics and magneto-elasticity of nanodrums near the phase transition
本文研究了悬浮FePS₃异质结构纳米鼓在反铁磁相变附近的非线性磁机械耦合，通过解析磁致伸缩模型揭示了磁弹性导致非线性阻尼的机制。
2023-09-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Snap-through transition of graphene membranes for memcapacitor applications: A combined study using MD, DFT and elasticity theory
利用计算和理论方法，我们研究了弯曲的石墨烯膜的突变。我们的主要兴趣是有关的可能性，使用的屈曲膜作为一个板的电容器与记忆（memcapacitor）。为了这个目的，我们进行了分子动力学（MD）模拟和弹性理论计算的向上向下和向下向上的抢购通过几种尺寸的膜的过渡。我们已经获得了表达式的阈值开关力向上到下和向下到上的过渡。此外，使用密度泛函理论（DFT）计算了上下阈值转换力。我们的DFT结果与MD和分析理论的结果基本一致。我们的系统方法可用于描述其他结构，包括纳米机械和生物结构，经历了快速过渡。
2017-12-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft
Measuring frequency fluctuations in nonlinear nanomechanical resonators
近年来，纳米力学的进展已经证明了器件范围的不断扩大，从自上而下的结构到吸引人的自下而上的MoS $_2$和石墨烯膜，用于传感和面向组件的应用。所有这些器件的主要问题之一是频率噪声，这最终限制了它们的适用性。这个问题最近引起了很多关注，这种噪音的起源至今仍然难以捉摸。在这封信中，我们提出了一个非常简单的技术来测量非线性机械设备中的频率噪声，基于双稳态的存在。这是说明氮化硅高应力双固支梁，在低温环境中。我们报告相同的$T/f$依赖的频率噪声功率谱的文献中报道的。但我们也发现了意想不到的{ \it阻尼波动}，放大的分叉点附近，这种效果是明显不同于已经报道的非线性失相，并提出了一个基本的限制分叉频率的测量。该技术进一步应用于测量频率噪声作为模式数的函数，在同一设备内。基本弯曲$δf/f_0$的相对频率噪声在$0.5 - 0.01~$ ppm范围内（与低温MHz器件的文献一致），并随研究范围内的模式数而减小。该技术可以应用于{ \it任何类型}的纳米机械结构，使这些设备中的固有噪声源的理解的进展。
2018-06-08 cond-mat.mes-hall
Sensitive capacitive pressure sensors based on graphene membrane arrays
石墨烯膜的高柔性、不渗透性和强度是能够实现下一代纳米机械传感器的关键特性。然而，对于电容式压力传感器，由单个悬浮的石墨烯膜提供的灵敏度太小而不能与商业传感器竞争。在这里，我们实现了由近万个小型独立双层石墨烯膜阵列组成的高灵敏度电容式压力传感器。我们使用一种即使在高温退火后也能保持石墨烯优越的材料和机械性能的方法制造大阵列的小直径膜。这些传感器使用低成本电池供电的电路板读取，响应度高达47.8 aF Pa $^{-1}$ mm $^{-2}$，从而优于商业传感器。
2020-03-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.other physics.app-ph
Tunable coupling of two mechanical resonators by a graphene membrane
耦合纳米机械谐振器是有趣的基础研究和实际应用，因为它们提供了丰富的和可调的振荡动力学。目前，这种系统中的机械耦合通常由固定的几何形状（诸如谐振器的关节夹持点或位移相关力）来介导。在这里，我们展示了一个石墨烯集成的机电系统，由两个物理上分离的机械谐振器组成-一个梳状驱动器和一个悬浮的硅梁-它们通过石墨烯膜可调谐地耦合。此外，石墨烯膜为两个谐振系统硅结构提供了灵敏的电读出，在0.4~ 24 MHz的频率范围内显示出16种不同的模式。此外，通过在石墨烯膜上施加静电势到硅谐振器之一，我们控制的机械耦合，量化的$g$因子，从20 kHz到100 kHz。我们的研究结果铺平了道路耦合纳机电系统需要可控的机械耦合谐振器。
2020-11-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Single-layer MoS2 mechanical resonators
在这里，我们展示了单层二硫化钼机械谐振器的制造。所制造的谐振器具有10 MHz至30 MHz量级的基本谐振频率（取决于它们的几何形状），并且它们的品质因数在真空中在室温下约为~55。动力学性质清楚地表明单层MoS 2膜处于膜极限（即，张力占主导地位），与其较厚的对应物形成对比，后者表现为板块。我们还展示了我们的原子薄膜的非线性行为的清晰签名，从而为单层纳米机械谐振器的非线性动力学的未来调查提供了一个起点。
2014-02-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Imaging vibrations of locally gated, electromechanical few layer graphene resonators with a moving vacuum enclosure
对纳米机械谐振器的振动进行成像意味着根据其频率响应对平面内位置的依赖性来测量其弯曲模式形状。应用于二维谐振器，这种技术提供了丰富的信息，原子级薄膜的机械性能。我们提出了一个简单而强大的系统，在室温和真空中的面内位移精度为$\approx0.20$ $μ$ m的几层石墨烯（FLG）谐振器的振动成像。它包括一个坚固的真空外壳安装在一个三轴微定位阶段和设计的自由空间光学测量振动。该系统配备了超柔性射频波导，以电致动谐振器。用它，我们通过测量其频率响应作为膜上的位置的函数来表征FLG谐振器的最低频率模式。谐振器悬挂在纳米制造的局部栅电极上，该栅电极既充当反射镜又充当电容器板，以在射频下致动振动。从这些测量中，我们估计膜的热膨胀系数与热导率的比率，并且我们测量最低频率模式的有效质量。我们补充我们的研究与全球门控谐振器和图像的前三个振动模式。在那里，我们发现膜中的褶皱局部抑制振动。
2021-01-04 cond-mat.mes-hall
Ultra-strong Adhesion of Graphene Membranes
随着机械结构进入纳米级，范德华力的影响增加。石墨烯对于纳米机械系统是有吸引力的，因为它的杨氏模量和强度都是固有的高，但石墨烯的机械行为也受到范德华力的强烈影响。例如，该力将石墨烯样品夹持到衬底上，并且还将多层样品中的各个石墨烯片保持在一起。在这里，我们使用加压起泡测试来直接测量石墨烯片与氧化硅衬底的粘附能。我们发现单层石墨烯的粘附能为0.45 \pm 0.02 J/m2，含有2-5个石墨烯片的样品的粘附能为0.31 \pm 0.03 J/m2。这些值大于在典型的微机械结构中测量的粘附能，并且与固/液粘附能相当。我们将其归因于石墨烯的极端灵活性，这使得它能够符合即使是最光滑的衬底的形貌，从而使其与衬底的相互作用更像液体而不是固体。
2011-07-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Nonlinear Mode Coupling in Silicon Nitride Membrane Resonators
Indian Institute of Science Education and Research Bhopal（印度科学教育研究所博帕尔分校）；Indian Institute of Science（印度科学学院）
本研究通过实验和理论建模揭示了硅氮膜谐振器中非线性模耦合的机制，展示了其在多模频率调谐和机械转换中的应用潜力。
2026-03-09 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Frequency tuning, nonlinearities and mode coupling in circular graphene resonators
我们研究了圆形纳米机械石墨烯谐振器通过连续弹性理论，把它们作为膜。我们推导出弯曲模振幅的动力学方程。由于几何非线性，这些可以通过耦合Duffing方程来建模。通过求解Airy应力问题，我们得到了本征频率和非线性系数的解析表达式作为半径，悬挂高度，初始张力，背栅电压和弹性常数的函数，我们与有限元模拟比较。利用扰动理论，我们证明了对于有限偏转，有必要考虑非均匀应力分布的影响。这正确地再现了谐振器的频谱和频率调谐，包括频率交叉。
2013-05-17 cond-mat.mes-hall
Casimir forces on suspended thin dielectric membranes covered with graphene
The Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；Laboratoire Charles Coulomb (L2C), UMR 5221 CNRS-Université de Montpellier（夏尔·库隆实验室（L2C），CNRS-蒙彼利埃大学联合研究单位5221）
该研究从理论和实验探究覆盖石墨烯的悬浮薄电介质膜的卡西米尔力，发现用薄电介质膜替代石墨烯下的固体衬底可部分恢复卡西米尔力的强热依赖性，室温实验测得的力梯度与理论预测一致。
2026-10-16 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Optomechanical tuning of nonlinearity in graphene resonators
Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）
该研究提出一种光机械方法，通过光热加热与光腔的光机械相互作用，实现对石墨烯谐振器非线性响应的主动可逆原位调控，为二维纳米机电系统力学响应调控提供通用策略。
2026-08-03 cond-mat.mes-hall
Tunable Nonlinear Landscapes in Graphene Nanoelectromechanical Systems
Indian Institute of Technology - Kanpur（坎普尔印度理工学院）；Vanderbilt University（范德堡大学）；Freie Universitat Berlin（柏林自由大学）
研究在悬浮单层石墨烯鼓中实现整数高谐波产生和声子频率梳，通过栅极电压调谐膜对称性及模式共振，单个驱动音产生锁相整数谐波，还发现反向倍周期转变，测量得到非线性系数，展示其可调谐非线性的多种功能。
2026-07-07 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
