Nanomechanical Resonators and Their Applications in Biological/Chemical Detection: Nanomechanics Principles
纳米技术的最新进展已经导致纳米机电系统（NEMS）的发展，例如纳米机械谐振器，其最近受到科学界的显著关注。这不仅是因为它们能够以单分子（或原子）分辨率对生物/化学分子进行无标记检测，用于未来的应用，例如癌症等疾病的早期诊断，而且还因为它们具有前所未有的检测物理量的能力，例如表面上吸附分子的分子量、弹性刚度、表面应力和表面弹性刚度。基于共振器的分子检测的大多数实验工作都是基于这样的原理，即分子吸附到共振器表面上增加了有效质量，从而降低了纳米机械共振器的共振频率。然而，这一原则是不够的，以提供基本的见解，在纳米级的基于共振的分子检测，这是由于最近提出的新的纳米级检测原理，包括各种影响，如表面效应，非线性振荡，耦合共振，刚度效应。因此，我们在这篇评论的目的是概述目前的尝试，以了解基于纳米谐振器的检测使用物理模型耦合到计算模拟和/或实验的潜在机制。具体来说，我们将专注于与纳米谐振器的动态行为及其在生物/化学检测中的应用特别相关的问题。我们还提供了广泛的讨论，关于潜在的富有成效的未来研究方向耦合实验和模拟，以发展管理NEMS和基于NEMS的传感应用的基本物理原理的基本理解。
2011-05-09 cond-mat.mes-hall
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
Perspectives on high-frequency nanomechanics, nanoacoustics, and nanophononics
本文综述了纳米力学、纳米声学与纳米声子学在纳米尺度调控声子与弹性波及其与其他激发相互作用方面的里程碑、突破和未来发展方向。
2023-01-18 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Macroscopic quantum effects in nanomechanical systems
本文研究了纳米尺度下弹性梁力学性质的量子效应。计算了纵向压缩光束的横向量子涨落、热涨落和非线性激发能。在Euler不稳定性附近，系统用一维Ginzburg-Landau模型描述，其中序参量为屈曲模态的振幅。我们表明，在单壁碳纳米管的顺序或小于100 nm的长度的零点波动是可访问的，并讨论了观察宏观量子相干性在纳米束附近的临界应变的可能性。
2003-10-27 cond-mat.mes-hall
Design of Black Phosphorus 2D Nanomechanical Resonators by Exploiting the Intrinsic Mechanical Anisotropy
黑磷（P）是一种可以被隔离为单个2D晶体片的层状材料，由于其在每个原子层中的波纹晶体结构，其表现出高度各向异性的机械性能，这对于2D纳米机械设备是有趣的。在这里，我们奠定了框架，描述独立的黑色P结构的机械共振响应，通过使用分析建模和数值模拟相结合。我们发现，较厚的设备（> 100纳米）在弹性板制度的工作表现出明显的机械各向异性的签名，并可以导致新的多模谐振特性的模式序列，形状和取向的偏好，是不可用的纳米机械谐振器的各向同性材料。此外，通过研究具有不同几何形状的器件，我们确定了非对称器件中谐振响应对晶体取向的依赖性，并评估了各向异性程度的影响。这些结果表明，利用黑P中的机械各向异性来构建具有可工程化多模功能的新型2D纳米机械设备和谐振换能器是一条途径。
2015-04-04 cond-mat.mes-hall
Strain engineering for ultra-coherent nanomechanical oscillators
弹性应变工程利用应力来实现不寻常的材料特性。例如，应变可以用来增强半导体的电子迁移率，从而实现更高效的太阳能电池和更小、更快的晶体管。在纳米力学的背景下，追求具有超高相干性的谐振器导致了对互补应变工程技术“耗散稀释”的深入研究，从而有效地增加了材料的刚度而没有增加损耗。耗散稀释是已知的Si $_3$ N $_4$纳米机械谐振器，包括最近开发的“软箝位”谐振器的极高Q因子的基础;然而，迄今为止，该范例依赖于材料合成过程中产生的弱应变。相比之下，几何应变工程技术的使用-能够产生接近材料屈服强度的局部应力-仍然在很大程度上未被探索。在这里，我们表明，几何应变结合软箝位可以产生前所未有的高Q纳米机械谐振器。具体而言，使用空间上不均匀的声子晶体图案，我们共定位的应变和弯曲运动的Si $_3$ N $_4$纳米梁，同时增加前者附近的屈服强度。这种组合策略产生弦状模式，室温Q $\times$频率产品接近$10^{15}$ Hz，对于任何尺寸的机械振荡器都是前所未有的值。我们研究的器件可以具有aN/rtHz的力灵敏度，在室温下执行数百次量子相干振荡，并且在射频下达到Q > 4亿。这些结果标志着纳米力学耗散控制的范式转变，影响范围从精密力显微镜到量子引力测试。将报道的方法与晶体或2D材料相结合可能会导致进一步的改进，但仍有未知的局限性。
2017-11-16 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Fast, High Resolution and Wide Modulus Range Nanomechanical Mapping with Bimodal Tapping Mode
轻敲模式原子力显微镜（AFM），也被称为振幅调制（AM）或AC模式，是一种经过验证的，可靠的和温和的成像模式，具有广泛的应用。几十年来，轻敲模式一直在使用中，定量的尖端样品的机械性能，如刚度一直难以捉摸。双模态振打模式保持了单频振打模式的优点，同时通过驱动和测量悬臂梁的附加谐振模式来扩展该技术。同时测量的可观的额外的共振提供了额外的信息，以提取定量的纳米力学信息的尖端样品力学。具体而言，在频率调制（FM）模式下驱动更高的悬臂梁共振允许直接测量尖端-样品相互作用刚度，并且通过适当的建模，允许直接测量与设定点无关的局部弹性模量。在这里，我们讨论的优点双峰攻丝，创造AM-FM成像，模量映射。结果呈现为样品在宽的模量范围内，从顺应性凝胶（~100 MPa）到刚性材料（~100 GPa），具有相同类型的悬臂。我们还显示了高分辨率（亚纳米）刚度映射的单个分子在半结晶聚合物和DNA在流体中。结合即使在近40 Hz的线扫描速率下仍保持定量的能力，结果证明了AM-FM成像在广泛应用中用于纳米机械表征的多功能性。
2017-09-06 cond-mat.mes-hall
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
Graph-theoretical evaluation of the inelastic propensity rules for molecules with destructive quantum interference
我们提出了一种基于图论的方法，用于评价在其弹性传输中表现出完全破坏性量子干涉的分子的非弹性倾向规则。该方法使用一个扩展的邻接矩阵对应的分子的结构图计算的格林函数与连接的电极之间的网站，从而状态的电子振动耦合矩阵必须满足相应的条件，以观察终端之间的非弹性信号。该方法可以完全自动化，我们提供了一个功能网站，运行使用Wolfram Mathematica的代码，该代码返回破坏性量子干涉配置的图形描述以及广泛的一类分子的相关非弹性倾向规则。
2017-05-10 cond-mat.mes-hall
Plasmon mode modifies the elastic response of a nanoscale charge density wave system
研究了悬浮NbSe 3纳米线在电荷密度波相变过程中的弹性响应。共振器的纳米尺度导致大的共振频率（10-100 MHz），使激发的声子频率非常接近电子凝聚体的等离子体模式-在体系统中不可访问的参数窗口。声子和等离子体激元模式之间的相互作用强烈地改变了高频下的弹性性质。这在系统的纳米力学中表现为电荷密度波相位中的弹性模量的温度依赖性（12.8%的相对变化）中的尖峰。
2012-08-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el
Nanomechanical probing and strain tuning of the Curie temperature in suspended Cr$_2$Ge$_2$Te$_6$ heterostructures
具有强磁致伸缩的二维（2D）磁性材料是用于应变调谐磁化的有趣系统，使得实现自旋电子器件和纳米磁性器件成为可能。实现这一潜力需要了解的磁-机械耦合在2D的限制。在这项工作中，我们暂停薄Cr $_2$ Ge $_2$ Te $_6$层，创建纳米机械膜谐振器。我们探测它的机械和磁性作为温度和应变的函数。磁弹性耦合的显著签名中观察到这些膜附近的$T_{\rm C}$的温度依赖性的共振频率。我们进一步利用具有正热膨胀系数的WSe $_2$和FePS $_3$薄层的异质结构中的Cr $_2$ Ge $_2$ Te $_6$来补偿Cr $_2$ Ge $_2$ Te $_6$的负热膨胀系数，并定量探测相应的$T_{\rm C}$。最后，我们通过静电力在悬浮异质结构中诱导$0.016\%$的应变，并证明在没有外部磁场的情况下由$2.5 \pm 0.6$ K产生的$T_{\rm C}$的增强。
2021-11-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Laser-Excited Elastic Guided Waves Reveal the Complex Mechanics of Nanoporous Silicon
硅中的纳米孔隙率导致这种主流半导体的全新功能。然而，难以评估的力学显著限制了其在从纳米流体和生物传感器到药物递送、能量存储和光子学等领域的应用。在这里，我们提出了一个研究激光激发的弹性导波检测无接触和非破坏性的干和液体注入单晶硅多孔硅。这些实验表明，每平方厘米截面1000亿个平行纳米孔的自组织形成导致垂直于孔轴的几乎各向同性的弹性和80%的有效刚度降低，从而总体上导致与在体硅中观察到的立方各向异性的显著偏差。我们对纳米多孔硅的晶圆级力学的全面评估为在强大的片上器件中的预测应用提供了基础，并证明了激光超声学的最新突破为干燥和液体功能化多孔材料的原位非破坏性机械表征开辟了全新的前沿。
2021-04-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
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
Experimental observation of highly anisotropic elastic properties of two-dimensional black arsenic
该研究借助基于微机电系统的原位拉伸装置实验测量二维黑砷，证实其杨氏模量与极限应变具有显著面内各向异性。
2023-09-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Resonant unidirectional and elastic scattering of surface plasmon polaritons by high-refractive index dielectric nanoparticles
我们考虑散射的表面等离子体激元（SPPs）和光由个人的高折射率介电纳米粒子（NP）位于金属（金）基板上，并支持在可见光谱范围内的电和磁偶极共振。利用离散偶极子近似，包括多极分解过程进行数值计算。介绍并讨论了球形硅纳米颗粒在可见光和近红外波段的消光和散射截面谱。阐明和论证了电偶极子和磁偶极子在散射过程中的面内和面外分量的作用。结果表明，由于NP相互作用与电磁场从衬底反射（导致双各向异性），在平面内的电和磁偶极子可以共振激发在同一波长。由于这种效应，可以在窄的光谱范围内实现由扁球体NP引起的SPP的共振单向（前向）和弹性（面内）散射。在正常光入射的情况下，双各向异性效应可以提供显着的抑制的SPP激发，因为由感生的电和磁偶极矩产生的SPP波之间的相消干涉。所获得的结果为基于SPP的光子元件和超颖表面的开发开辟了新的可能性，其操作涉及介电NP的共振激发。
2016-09-20 cond-mat.mes-hall
Efficient anchor loss suppression in coupled near-field optomechanical resonators
通过朝向衬底的辐射的弹性耗散是微机械谐振器和纳米机械谐振器中的主要损耗通道。设计这些谐振器与光学腔的耦合进一步使低损耗光机械器件的设计复杂化并受到限制。在这项工作中，我们依赖于机械辐射的相干抵消，以证明材料和表面吸收限制的硅近场光机械谐振器在几十MHz的振荡。我们的耗散抑制计划的有效性进行了研究，在室温和低温。而在室温下，我们可以达到7.61 k的最大品质因数（$fQ$ -$10^{11}$ ~Hz量级的乘积），在22 k下，品质因数增加到37 k，导致$2\times10^{12}$ ~Hz的$fQ$ -乘积。
2017-10-02 cond-mat.mes-hall physics.optics
Interferometric Imaging of Nonlocal Electromechanical Power Transduction in Ferroelectric Domains
弹性波的电产生和检测是声电子和声光系统的基础。对于表面声波器件、微/纳机电系统和声子晶体，定制材料性质（例如压电和弹性张量）的空间变化可以显著改善系统性能。由于固体中的声速比光速小得多，因此需要在介观长度尺度上研究各种电声行为。在这项工作中，我们展示了在铁电锂铁电畴结构的机电功率转换的微波阻抗显微镜干涉成像。与传统的驻波图案所造成的叠加的反向传播的波形成鲜明对比，建设性和破坏性的微波耗散图像条纹表现出一个有趣的单波长周期性。我们表明，这种不寻常的干涉图案，这是从根本上不同于声学位移场，源于电场和弹性波之间的非局部相互作用。数值模拟结果证实了考虑到相反极化域的压电张量的符号反转。我们的工作为通过近场电磁成像探测复杂结构中的纳米级电声现象铺平了新的途径。
2018-05-11 cond-mat.mes-hall
Generalized dissipation dilution in strained mechanical resonators
具有高品质因数的机械谐振器在精密实验中具有相关性，范围从引力波检测和力感测到量子光学力学。众所周知，梁和膜在受到拉应力时会表现出具有增强的品质因数的弯曲模式。这种增强的机制一直是一个争论的主题，但通常归因于弹性能被无损势“稀释”。在这里，我们澄清的起源是张力和应变的几何非线性的组合的无损潜力。我们提出了一个一般的理论耗散稀释，适用于任意的谐振器的几何形状，并讨论为什么这种效果是特别强的弯曲模式的纳米机械结构具有高的纵横比。将该理论应用于非均匀双固支梁，分析了如何通过改变梁的形状来实现“软固支”、薄固支和几何应变工程，从而提高耗散稀释度，并推导出耗散稀释度的极限。
2018-07-18 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
