纳米机电晶格中弹性波的MHz电学调制- 大数跨境

两江科技评论

2018-09-14

导读：美国加州理工学院Chiara Daraio教授和Jinwoong Cha博士设计了一种一维非线性纳米机电晶格，在频率10-30 MHz范围内实现了对声子色散关系的动态电压调制，同时触发了非线性效应、导

导读

美国加州理工学院Chiara Daraio教授和Jinwoong Cha博士后设计了一种一维非线性纳米机电晶格（nanoelectromechanical lattices ，NEML），在频率10-30 MHz范围内实现了对声子色散关系的动态电压调制，同时触发了非线性效应、导致声子带隙发生显著的偏移，这种现象类似于凝聚态物理中的Peierls相变。相关工作以“Electrical tuning of elastic wave propagationin nanomechanical lattices at MHz frequencies”为题，发表在《Nature Nanotechnology》期刊上。

背景介绍

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)是将活动的微纳机械结构与电路集成在一个芯片内，主要包括感知外界信息(力、热、光、生、磁、化等)的传感器和控制外界信息的执行器, 以及进行信号处理和控制的电路。当MEMS的特征尺寸缩小到100纳米以下时,被称为纳机电系统(NEMS, Nano-Electro-Mechanical System)。

基于纳米结构的NEMS 器件及系统具有很多MEMS器件所不具备的特性和功能，如超高频率、低能耗、高灵敏度、对表面质量和吸附性前所未有的控制能力等。尤其是NEMS谐振器，其利用纳米核心结构的尺度效应，通过谐振结构的等比例缩小，使得器件的工作频率显著提高，甚至可以达到GHz。因此，可以组成高频电路里的振荡器和滤波器。

此外，NEMS在兆赫兹（MHz）频率范围内工作时，可以实现不同物理量之间的能量转换。例如，可将光学或电信号转换成机械运动，反之亦然。单自由度或低自由度的NEMS平台已被用于“类量子效应”（quantum-like）的实验证实，如模态冷却（mode cooling）、机械诱导透明现象现象（mechanically induced transparency）、Rabi振荡、双模压缩和“激声”（phonon lasing）等。具有结构化基元（architected unit cells）的NEMS谐振器周期阵列，能够进行基于晶格动力学的凝聚态物理现象的研究，例如声子禁带、能量传输、非线性动力学和局域以及拓扑属性，可将相关基础研究直接在片上器件开展。

创新研究

研究人员制备了一种一维非线性纳米机电晶格（nanoelectromechanical lattices ，NEML）系统，其设计灵感来自基于NEMS的声子波导，该器件的独特之处在于各个谐振器在电压感应下的频率调谐特性。此处，一维非线性NEML包括机电耦合的周期性排列自支撑纳米薄膜，这种设计形成了一个弯曲的声子晶体，具有1.8 MHz的带宽。当加载静态直流电压时，会产生电压依赖性的格点势能（voltage-dependent on-site potentials），能够有效地控制声子的群速度，并可显著改变器件的声子色散关系。更为有趣的是，交流电压的动态调制作用将会导致一种新的带隙形成机制：NEML声子晶体受到动态调制后将触发非线性效应，以类似于凝聚态物质中的Peierls相变的方式，诱导了声子带隙的形成。

电场可控的NEML研究将有助于小型化高频声学功能元件的开发，例如用于射频信号处理应用的传感器、可调滤波器和延迟线，它们与电子器件相比具有更小的尺寸面积，有利于在手机等消费类电子设备中的应用。在量子技术相关的应用中，可以通过采用石墨烯代替金电极、增加膜的残余应力和低温操作等方法降低损耗、提高器件的品质因子Q。