High quality factor graphene-based 2D heterostructure mechanical resonator
基于低维材料的超轻机械谐振器非常适合作为微小力或质量变化的特殊换能器。然而，低维度也为最小化电阻损耗和发热带来了挑战。在这里，我们报告了一种新的方法，旨在结合不同的2D材料来应对这一挑战。我们制作了一个异质结构的机械谐振器组成的几层二硒化铌（NbSe $_2$）由两个石墨烯片封装。该混合膜在低温下显示出高达245'000的高品质因数，与最好的少层石墨烯机械谐振器相当。与少层石墨烯谐振器相比，该器件显示出归因于NbSe $_2$层的较低电阻率的降低的电损耗。固有品质因数的特有的低温度依赖性指向在电子系统上松弛的两能级系统上的耗散。我们的高灵敏度读出是通过将膜耦合到超导腔来实现的，这允许将混合机械谐振器集成为未来量子线路中的灵敏和低损耗换能器。
2018-09-17 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Shape tailoring to enhance and tune the properties of graphene nanomechanical resonators
纳米机械谐振器的形状深刻地影响其机械性能，并决定其适用于各种应用，如超灵敏质量和力检测。尽管二维纳米机械系统在这样的应用中有希望，但尚未实现对悬浮的二维材料（例如石墨烯）的形状的完全控制。我们提出了一种有效的，一步的方法来形成预悬浮的石墨烯纳米机械谐振器与任意的几何形状，导致增强的性能相比，传统的鼓面。我们的技术采用聚焦离子束铣削，实现了从几十纳米到几微米的特征尺寸，同时获得了近乎完美的产量。我们比较了成形装置与未改性鼓面的机械性能，发现低张力、单夹持的石墨烯杠杆显示机械品质因数（Q）增加20倍，机械阻尼减少100倍。重要的是，我们实现了这些结果，同时去除了质量，这使得石墨烯机械谐振器在室温下具有最先进的力灵敏度。我们的方法在石墨烯纳米力学中开辟了一个独特的，目前无法实现的制度，其特征在于低应变，低频率，小质量和高Q，并有助于定制由石墨烯和其他2D晶体组成的机械结构中的非线性和阻尼。
2018-10-17 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
On-Chip Optical Transduction Scheme for Graphene Nano-Electro-Mechanical Systems in Silicon-Photonic Platform
提出了一种石墨烯基纳米机电系统（NEMS）应变和位移的片上光学转换方案。对三种硅光子集成电路结构的可行性进行了详细的数值研究：马赫-曾德尔干涉仪（MZI），微环形谐振器和环形加载MZI。使用加载有具有2400的中等Q因子的环形谐振器的Mach-Zehnder干涉仪的基于折射率感测的技术可以分别产生对于位移和应变的28 fm/sqrt（Hz）和6.5E-6%/sqrt（Hz）的灵敏度。虽然任何相位敏感的集成光子器件都可以用于光学转换，但在这里，我们表明，通过将谐振与相位灵敏度相结合，可以实现最佳灵敏度。
2018-01-04 physics.app-ph physics.optics
Spatially Resolved Optical Excitation of Mechanical Modes in Graphene NEMS
由二维（2D）材料制成的纳米机电系统（NEMS）中的新兴应用需要同时成像和机械模式的选择性致动。聚焦光学探头测量和驱动运动提供了一种可能的解决方案，但其横向空间分辨率必须优于谐振器的尺寸。虽然已知光学干涉测量法具有优异的空间分辨率，但是聚焦的基于激光的光学驱动的空间分辨率目前尚不清楚。在这里，我们结合单独扫描干涉和光学驱动探头映射的运动和悬浮石墨烯纳米机械谐振器上的力。通过分析这些地图与力密度模型，我们确定的光学驱动力的空间分辨率的顺序上的聚焦激光光斑的大小。使用光学力探针，我们证明了选择性的驱动和抑制的一对正交的，反对称的石墨烯谐振器的机械模式。我们的研究结果提供了一个强大的方法来图像和驱动任何任意高阶模式的二维NEMS。
2019-05-29 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Tailoring mechanically-tunable strain fields in graphene
有许多基于石墨烯和其他二维材料的应变工程的理论建议，然而，这些系统中应变场的纯机械控制仍然是一个重大挑战。这两种方法大多使用到目前为止，要么耦合的电气和机械性能的系统，同时或引入一些不必要的干扰，由于基板。在这里，我们报告硅微机械梳状驱动致动器可控和可重复地诱导应变在一个悬浮的石墨烯片，在一个完全机械的方式。我们使用空间分辨共焦拉曼光谱来量化诱导的应变，我们表明，不同的应变场可以通过工程的夹紧几何形状，包括高达1.4%/ $μ$ m的可调应变梯度。我们的方法还允许多轴应变，并且同样适用于其他二维材料，为研究其机械和机电性能打开了大门。我们的测量还清楚地识别出石墨烯片边缘的缺陷，这些缺陷是导致其机械故障的弱点。
2017-11-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Mesoscopic modeling and experimental validation of thermal and mechanical properties of polypropylene nanocomposites reinforced by graphene-based fillers
本文构建并实验验证了聚丙烯/石墨烯基填料纳米复合材料的介观多尺度模型，揭示低填料含量下热、力学性能提升规律及不同填料组合差异。
2023-07-31 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Stacking of nanocrystalline graphene for Nano-Electro-Mechanical (NEM) actuator applications
石墨烯纳米机电开关由于其良好的开关性能，如低吸合电压和低接触电阻，是很有前途的组件。用适当的对电极进行大规模制造仍然具有挑战性。在这项工作中，我们报告的堆叠纳米晶石墨烯（NCG）与70纳米的介电分离层。掩埋的NCG层通过通孔的形成而接触并且充当致动电极。金属化后，顶部7.5 nm的薄NCG层被图案化以形成双钳位梁，并且通过氢氟酸蚀刻释放该结构。通过在顶部和掩埋NCG层之间施加电压，观察到低于1.5V的阶梯状电流增加，这是由可移动梁与掩埋NCG的接触引起的。由于薄的牺牲层和高的梁长度，没有观察到拔出，导致低的机械回复力。我们讨论了可能的应用NCG堆叠的方法来实现纳米机电（NEM）接触开关和先进的逻辑组件，如与逻辑。
2019-01-23 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Motion transduction with thermo-mechanically squeezed graphene resonator modes
近年来，在光电机械领域中，对微小运动的放大和检测产生了极大的兴趣。在这里，我们展示了基于石墨烯/氮化硅（SiNx）混合物的广泛可调谐、宽带宽和高增益全机械运动放大器。在这些装置中，大面积SiNx膜的微小运动被转换成耦合到SiNx的石墨烯鼓谐振器中的大得多的运动。此外，石墨烯的热噪声通过参数张力调制被降低（压缩）。放大器的参数通过光热驱动SiNx和干涉检测石墨烯位移来测量。我们得到的位移功率增益为38 dB，并证明4.7 dB的压缩导致的检测灵敏度为3.8调频每平方根赫兹，接近SiNx的热噪声极限。
2018-10-23 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Modelling mechanical percolation in graphene-reinforced elastomer nanocomposites
石墨烯被认为是生产多功能纳米复合材料的理想填料;因此，相当大的努力都集中在其增强特性的评估和建模上。在这项工作中，我们成功地模拟了机械逾渗现象，观察到的热塑性弹性体（TPE）增强的石墨烯纳米片（GNP），通过设计一组新的方程的填料含量低于和高于逾渗阈值体积分数（Vp）。建议的细观力学模型是基于一个完善的剪切滞后理论和规则的混合物的组合，并引入分析的不同阶段和机械加固的机制。据发现，当GNP含量低于Vp时，增强源于单个GNP薄片有效地传递应力的固有能力。此外，在较高的填料含量和以上Vp，纳米复合材料显示加速硬化由于相邻薄片之间的距离的减少。本文推导的模型与实验数据相吻合，并对石墨烯的最佳性能在这类复合材料中不能得到充分利用的原因进行了深入的讨论。
2019-03-25 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
PMMA-grafted graphene nanoplatelets to reinforce the mechanical and thermal properties of PMMA composites
为了实现石墨烯纳米复合材料的潜力，至关重要的是控制分散程度并实现强石墨烯聚合物界面。在此，我们开发了一种用于石墨烯纳米片的简易接枝功能化方法。通过重氮偶合制备的NH 2-封端的石墨烯纳米片（NH 2 GNP）用作平台，通过NH 2基团与PMMA链之间的酰胺化将PMMA链共价接枝到石墨烯表面，PMMA NH GNP。发现3.8wt%的PMMA接枝度（每40个碳原子一条链）与所提供的GNP相比，既改善了GNP在PMMA基质中的分散，又给出了强的石墨烯-聚合物界面。因此，发现在PMMA中2重量%的PMMA NH GNP增加了PMMA的弹性模量、强度和断裂应变，而未改性的GNP的掺入在所有载荷下显示出较差的增强水平。此外，通过添加5wt%的PMMA NH GNP，PMMA的Tg和Td分别增加了15 ℃和29 ℃，而掺入未改性的GNP导致较小的增加。这项工作提供了通过化学调节石墨烯-聚合物界面来控制石墨烯-聚合物复合材料的性能的可能性，这将在纳米复合材料领域具有广泛的意义。
2019-11-03 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Determination of the elastic moduli of CVD graphene by probing graphene/polymer Bragg stacks
石墨烯已经以微薄片的形式被广泛用于制造具有增强的机械性能的复合材料。由于夹杂物的小尺寸和它们在基体内的随机取向，石墨烯的优异机械性能不能被充分利用。最近，已经尝试通过在聚合物基质的薄层之间插入化学气相沉积（CVD）单层石墨烯的大片来制造纳米层压复合材料。然而，CVD石墨烯不可避免地伴随着在合成过程中形成的褶皱，并且褶皱如何影响石墨烯的机械性能仍然是未知的。在这里，我们采用布里渊光光谱（BLS）研究的弹性模量的CVD石墨烯通过探测石墨烯/聚（甲基丙烯酸甲酯）混合布拉格堆栈在零应变。我们发现CVD石墨烯的杨氏模量和剪切模量，其具有约6 nm的高度的急剧升高的形式的褶皱和约6 nm的FWHM。30 nm，分别为680和290 GPa，前者比剥离的扁平石墨烯低约30%。这项工作揭示了CVD石墨烯的弹性特性，并提供了一种可以扩展到研究其他二维材料中的摩擦诱导软化效应的方法。
2021-09-27 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Mechanically-tunable bandgap closing in 2D graphene phononic crystals
我们提出了一种可调声子晶体，它经历了从机械绝缘到机械透射（金属）的相变。具体而言，在我们的模拟的声子晶格双轴张力（$σ_{xx} =σ_{yy}$ = 0.01 N $/$ m），我们发现一个带隙的面外声子的范围为48.8 - 56.4 MHz，我们可以关闭增加张力单轴度（$σ_{xx} / σ_{yy}$）到1.7。为了操纵张力分布，我们设计了一个有限尺寸的现实设备，其中$σ_{xx} / σ_{yy}$通过向由悬浮石墨烯制成的声子晶体施加栅极电压来调谐。我们表明，相变可以通过声传输测量探测，声子带隙持续存在，即使在夹杂物表面污染物和随机张力变化存在于现实的设备。所提出的系统作为一个晶体管的声子与开/关比为$10^5$（100 dB抑制），因此是一个有价值的扩展声子逻辑应用。此外，这种对金属-绝缘体转变（mMIT）的机械模拟允许机械实体（例如机械量子位）之间的可调谐耦合。
2023-02-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Graphene and Carbon Nanotube Hybrid Structure: A Review
据报道，石墨烯具有破纪录的特性，开辟了巨大的潜在应用。大量的研究致力于操纵或修改石墨烯的性质，以实现更智能的纳米器件。石墨烯-碳纳米管杂化结构是一种很有前途的石墨烯衍生物。GNHS基器件的合成工艺和力学性能是至关重要的。因此，本文将综述GNHS高度有序合成/组装的最新进展，并通过分子动力学模拟讨论GNHS在不同条件下的力学性能。
2018-03-17 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
A hybrid graphene-siliconnitride nanomembrane as a versatile and ultra-widely tunable mechanical device
本文提出一种由混合石墨烯/氮化硅膜和金属引线组成的片上石墨烯集成NEMS器件，通过施加静态和交流电压实现了超宽频率调谐、后屈曲转变及非线性振动激发，兼具机械鲁棒性与高可控性。
2024-06-23 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Enhanced photovoltaic effect in graphene-silicon Schottky junction under mechanical manipulation
石墨烯-硅肖特基结（GSJ）具有大规模制造和集成的潜力，为肖特基太阳能电池的光伏功率转换带来了新的机遇。然而，这些器件的基本功率转换限制在于小的开路电压（$V_{oc}$），这取决于肖特基势垒高度（SBH）。在这项研究中，我们介绍了一种机电方法的基础上挠曲电效应，以提高光伏效率在GSJ。利用原子力显微镜针尖压入和原位电流测量，获得了弯曲电应变梯度下的电流-电压（I-V）响应。观察到$V_{oc}$增加高达20 $\%$，导致功率转换效率的明显改善。我们的研究表明，应变梯度可能会提供前所未有的机会，GSJ为基础的柔性光伏应用的发展。
2023-01-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Few layer graphene from mechanical exfoliation of graphite based materials. Structure-dependent characteristics
我们提出了一种高规模的方法来生产几层石墨烯（FLG）的基础上的石墨的机械剥离和比较所获得的FLG与先前报道的铅笔芯烧蚀所产生的。在新方法中，有几个方面进行了修改和改进。简化了净化和烧蚀装置，并从应用的角度对FLG的形貌进行了修改和改进。FLG，铅FLG和石墨FLG的形态依赖的性能，作为导电层和纳米复合材料进行了研究。新获得的FLG具有更高的纵横比（高的横向尺寸与厚度，更高的2D纵横比），这反映在层（膜）的增强的透明度_导电性特征和聚合物复合材料中的断裂伸长率行为。相反，含有铅FLG的纳米复合材料由于铅FLG薄片的多步结构而显示出例如优异的气体阻隔性能。这种结构表现出较少的2D和较多的3D特征，这可以非常适合于其中活性、反应性边缘的存在是有益的应用（在催化或超级电容器电极中）。采用核反应分析方法研究了石墨FLG薄膜的形貌。
2020-12-10 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Temperature Dependent Mechanical and Structural Properties of Uniaxially Strained Planar Graphene
通过分子动力学模拟研究平面石墨烯在单轴拉伸下的温度依赖性，发现断裂应力、应变及杨氏模量随温度线性下降，并首次给出键长键角分布随温度与应变的变化及解析表达式。
2025-10-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci nlin.CD
Granular Graphene: direct observation of zigzag and armchair edge waves
我们提出了一种机械颗粒石墨烯，通过用宏观球形不锈钢珠接触取代碳原子获得。实验测得的色散关系，结合狄拉克点的证据。此外，波传播沿锯齿形和一个强大的转折效应的边缘波从锯齿形的扶手椅边界的实验显示，即使在没有一个完整的带隙的散装模式。我们的工作表明，机械颗粒石墨烯可以作为一个很好的实验平台，研究新的狄拉克，拓扑和非线性波现象。
2019-03-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Tunable graphene phononic crystal
在声子学领域，周期性模式控制振动，从而控制物质中的热和声音的流动。在这种声子晶体中产生的带隙实现了低耗散振动模式，并实现了对机械量子比特、高效波导和最先进传感的应用。在这里，我们结合声子和二维材料，并探讨通过施加机械压力操纵声子晶体的可能性。为此，我们制造了最薄的声子晶体从单层石墨烯和模拟其振动特性。我们发现一个带隙的MHz制度，在此范围内，我们本地化的缺陷模式与一个小的有效质量为0.72 ag = 0.002 $m_{physical}$。最后，我们利用石墨烯的灵活性和机械调谐有限大小的声子晶体。在高达30千帕的静电压力下，我们观察到整个声子系统的频率上升超过350%。同时，缺陷模式保持在带隙内并保持局部化，这表明高质量、动态可调的机械系统。
2021-02-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
