通过离面振动实现纳米材料摩尔纹结构动态调控的方法

1.本发明属于微纳机电系统技术领域，具体涉及一种通过离面振动实现纳米材料摩尔纹结构动态调控的方法。


背景技术：

2.二维纳米材料，如石墨烯、黑磷、过渡金属硫族化合物等展现出优异的力、热、光、电、磁等性质，成为构筑纳机电系统(nems)关键部件的典型纳米材料。近年来，由二维纳米材料堆垛获得的范德华材料表现出众多特异的理化性质，并且由于其结构可控、功能可定制等优点，为探索纳尺度的新奇物理现象提供了理想的研究平台。尤其是通过层间扭转在范德华材料中产生摩尔纹结构，进一步增加了调控范德华材料物理性能的可能性，获得了多国科技工作者的极大重视，纳尺度“摩尔纹工程”正逐步兴起。摩尔纹结构是由不同原子层晶格的略微不匹配或者以小角度相对扭转叠加形成的超晶格结构。二维纳米材料的摩尔纹结构对材料的电子、热学、机械、光学和光电特性有着显著影响，通过动态调控二维纳米材料的摩尔纹结构以对其各种特性进行精确控制将为微、纳机电系统(m/nems)的控制带来技术革新。
3.现有的对二维纳米材料摩尔纹结构的动态调控方法主要包括：
4.1、改变层与层之间的相对扭转角度；
5.2、通过施加面内应变如拉伸或压缩使不同原子层的晶格失配。
6.由于范德华材料制备过程的限制，通过直接改变扭转角来实现摩尔纹结构的改变存在较大的技术难度；通过拉伸或压缩施加面内应变的方法存在结构变形有限和实际应用过程难以精确控制面内应变的问题。


技术实现要素：

7.针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种通过离面振动实现纳米材料摩尔纹结构动态调控的方法，以解决现有技术中难以实现对摩尔纹结构进行动态调控的问题。本发明方法将摩尔纹结构的调控与二维扭转材料的离面振动相关联，通过调节离面激振力大小和频率对摩尔纹结构进行精确调控，调控方法简单，易于实现。
8.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
9.本发明的一种通过离面振动实现纳米材料摩尔纹结构动态调控的方法，步骤如下：
10.1)采用化学气相沉淀法与机械剥离方法制备扭转二维纳米材料，将制备好的扭转二维纳米材料转移至含电极的衬底结构，制备以扭转二维纳米材料为振动部件的纳米谐振器；
11.2)对纳米谐振器施加直流偏置电压和交变电压，使纳米谐振器的二维谐振腔在垂直于平面的方向产生振动并通过改变输入直流偏置电压的大小使二维谐振腔产生稳定的共振响应；
12.3)改变输入交变电压的频率与幅值使扭转二维纳米材料的振幅与频率改变，扭转二维纳米材料在达到一定振幅的振动时，摩尔纹结构发生连续性变化(即层间范德华势能分布也会连续性变化，会使其各种物理性质变化，如热导率、带隙等)。
13.进一步地，所述步骤1)具体包括：通过化学气相沉淀法制备单/多层二维纳米材料，以同样方法制备另一单/多层二维材料，再通过机械剥离将两部分二位纳米材料叠加在一起并调整扭转角度形成扭转二维纳米材料，并将制备好的扭转二维纳米材料转移至含电极的衬底结构，通过电子束光刻和金属蒸镀工艺在扭转双层二维纳米材料上制备纳米谐振器，最后使用氧化剂或酸洗方法对纳米谐振器进行清洁。
14.进一步地，所述步骤2)具体包括：根据纳米谐振器尺寸进行数值建模，通过有限元模拟或分子动力模拟确定纳米谐振器的各阶固有频率，然后以其中一阶(优选中取第一阶)固有频率作为输入交变电压的预置频率使纳米谐振器产生垂直于平面方向的振动(交变电压的幅值一开始不易过大，一般取几毫伏即可)，同时施加直流偏置电压产生电场(施加直流偏置电压需要0开始缓慢增加，以避免纳米谐振器损坏，一般纳米谐振器的直流偏置电压大小在几毫伏到几十毫伏的数量级)，通过调整直流偏置电压的大小使纳米谐振器达到共振状态。
15.进一步地，所述步骤3)具体包括：达到共振稳定状态后，调节交变电压的幅值实现摩尔结构不同程度的周期变化，从而实现对扭转二维纳米材料的各种物理性质参数的连续性调节；然后通过改变输入交变电压的频率，取不同于步骤2)中的固有频率，使摩尔结构的变化频率也随之改变，进而对扭转二维纳米材料的各种物理性质参数变化频率进行调节。
16.本发明的有益效果：
17.本发明利用扭转二维纳米材料，并结合纳米谐振器进行可控激振，既可实现摩尔纹结构的精确的动态调控，且可多次重复使用。相较于现有对摩尔纹结构调控的方法，本发明具有高精度，成本和操作难度低等特点，适应在微机电、纳机电系统中推广使用。
附图说明
18.图1为本发明方法中示例的纳米谐振器的简易示意图。
19.图2为材料变形与摩尔纹变化示意图。
20.图3为不同扭转角度不同激振力的摩尔纹变化图。
具体实施方式
21.为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
22.参照图1所示，本发明的一种通过离面振动实现纳米材料摩尔纹结构动态调控的方法，步骤如下：
23.1)采用化学气相沉淀法与机械剥离方法制备扭转二维纳米材料，将制备好的扭转二维纳米材料转移至含电极的衬底结构，制备以扭转二维纳米材料为振动部件的纳米谐振器；
24.具体地，所述步骤1)中利用化学气相沉积法与机械剥离的方法制备的扭转二维纳米材料，所述扭转二维纳米材料为：扭转石墨烯，扭转二硫化钼或扭转的异质二维纳米材
料，以扭转双层石墨烯为例，制备过程如下：
25.11)选择衬底，如sio2或sic，在表面上制备出单晶金属衬底，如ni或cu；制备好的衬底表面光滑且不含杂质；
26.12)使用化学气相沉积法(cvd)将单层石墨烯沉积在金属(ni或cu)表面上；将预先清洗好的金属衬底放入cvd反应器中，然后高温加热并引入纯度高、浓度稳定的前驱体气体(如甲烷、乙烯等)，使其分解并在金属表面上形成单层石墨烯；
27.13)将两个单层石墨烯通过机械剥离法叠加在一起，确保叠加后的双层石墨烯表面平整(无褶皱、气泡、破损等)，调整叠加角度以达到扭转双层石墨烯的要求，然后转移至含电极的衬底结构上；
28.14)通过微纳加工方式(如光刻和蒸镀等)在扭转双层石墨烯上制备出所需形状的纳米谐振器，如圆板形纳米谐振器等；制备好的纳米谐振器如图1所示；
29.15)使用氧化剂和酸洗等方法去除残留的有机污染物和氧化层。
30.优选示例中，所述步骤13)中机械剥离法可以使用胶带法或是电子束蒸发法等方法进行。
31.2)对纳米谐振器施加直流偏置电压和交变电压，使纳米谐振器的二维谐振腔在垂直于平面的方向产生振动并通过改变输入直流偏置电压的大小使二维谐振腔产生稳定的共振响应；
32.具体地，输入交变电压为正弦波，u＝asin(ωt)，其中a为输入交变电压幅值，ω为交变电压频率，u为实时交变电压，t为时间；使二维谐振腔产生的稳态响应形式为其中x为二维谐振腔的实时振幅，ω0为谐振腔振动频率，x为最大振幅，为相位差，调整a与ω的数值改变x的大小；需要注意的是，输入电压的预置频率ω可通过有限元模拟或分子动力学模拟得到，在实际布置纳米谐振器时谐振器的本征频率会有所不同，所以需要调整直流偏置电压使实际材料的本征频率与交流电压预置激振频率以致激发谐振器共振且达到稳态响应。
33.3)通过改变输入交变电压的幅值a使纳米谐振器的响应振幅增大，从而使摩尔纹结构变化更加明显，本示例中以给予10nm直径的扭转双层石墨烯垂直与平面的全面激振力做说明，其变形与摩尔纹变化的关系如图2所示。在改变交变电压幅值使纳米谐振器达到稳态振动后，摩尔结构会以ω0为频率做周期变化，注意当共振时ω0会与预置频率相等，同时扭转双层石墨烯的各种物理性质也会发生同频率的周期变化，这些物理性质参数可以通过控制交变电压幅值精确调控。图3是不同扭转角度的纳米谐振器在不同激振力下的摩尔纹变化。
34.此外，通过改变ω并重复步骤2)与步骤3)就可以实现摩尔结构的不同频率变化，相应的对扭转双层石墨烯的各种物理性质的变化频率做精确调控。当除去交变电压激振时谐振器会恢复原样以供下一次使用。
35.本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种通过离面振动实现纳米材料摩尔纹结构动态调控的方法，其特征在于，步骤如下：1)采用化学气相沉淀法与机械剥离方法制备扭转二维纳米材料，将制备好的扭转二维纳米材料转移至含电极的衬底结构，制备以扭转二维纳米材料为振动部件的纳米谐振器；2)对纳米谐振器施加直流偏置电压和交变电压，使纳米谐振器的二维谐振腔在垂直于平面的方向产生振动并通过改变输入直流偏置电压的大小使二维谐振腔产生稳定的共振响应；3)改变输入交变电压的频率与幅值使扭转二维纳米材料的振幅与频率改变，扭转二维纳米材料在达到一定振幅的振动时，摩尔纹结构发生连续性变化。2.根据权利要求1所述的通过离面振动实现纳米材料摩尔纹结构动态调控的方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：通过化学气相沉淀法制备单/多层二维纳米材料，以同样方法制备另一单/多层二维材料，再通过机械剥离将两部分二位纳米材料叠加在一起并调整扭转角度形成扭转二维纳米材料，并将制备好的扭转二维纳米材料转移至含电极的衬底结构，通过电子束光刻和金属蒸镀工艺在扭转双层二维纳米材料上制备纳米谐振器，使用氧化剂或酸洗方法对纳米谐振器进行清洁。3.根据权利要求1所述的通过离面振动实现纳米材料摩尔纹结构动态调控的方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：根据纳米谐振器尺寸进行数值建模，通过有限元模拟或分子动力模拟确定纳米谐振器的各阶固有频率，然后以其中一阶固有频率作为输入交变电压的预置频率使纳米谐振器产生垂直于平面方向的振动，同时施加直流偏置电压产生电场，通过调整直流偏置电压的大小使纳米谐振器达到共振状态。4.根据权利要求3所述的通过离面振动实现纳米材料摩尔纹结构动态调控的方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：达到共振稳定状态后，调节交变电压的幅值实现摩尔结构不同程度的周期变化，从而实现对扭转二维纳米材料的各种物理性质参数的连续性调节；然后通过改变输入交变电压的频率，取不同于步骤2)中的固有频率，使摩尔结构的变化频率也随之改变，进而对扭转二维纳米材料的各种物理性质参数变化频率进行调节。

技术总结
本发明公开了一种通过离面振动实现纳米材料摩尔纹结构动态调控的方法，步骤如下：制备扭转二维纳米材料，将扭转二维纳米材料转移至含电极的衬底结构，制备以扭转二维纳米材料为振动部件的纳米谐振器；对纳米谐振器施加直流偏置电压和交变电压，使二维谐振腔在垂直于平面的方向产生振动并通过改变输入直流偏置电压的大小使二维谐振腔产生稳定的共振响应；改变输入交变电压的频率与幅值使扭转二维纳米材料的振幅与频率改变，扭转二维纳米材料在达到一定振幅的振动时，摩尔纹结构发生连续性变化。本发明方法将摩尔纹结构的调控与二维扭转材料的离面振动相关联，通过调节离面激振力大小和频率对摩尔纹结构进行精确调控，调控方法简单，易于实现。易于实现。易于实现。


技术研发人员：刘汝盟 祝广飞 王立峰
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.03.13
技术公布日：2023/7/12