刘 瑛,张 勇,杨 鹏,吕克洪,邱 静,刘冠军

(国防科技大学,装备综合保障技术重点实验室,长沙 410073)

悬浮石墨烯纳机电振子仅单层原子,几何上全为表面,具有超高的比表面积[1],同时,还具有低噪声[2-3]和低载流子浓度大电导[4]等优良特性,是研发新型超灵敏微吸附传感器的不二选择[5-9]。吸附物可通过物理吸附或者化学吸附方式于石墨烯表面着床[4,10-11]。石墨烯表面分子吸附相关研究[12-13]表明,当吸附物具有足够能量时,可在石墨烯表面滑移,并在石墨烯表面低能区域着床。曼切斯特大学Geim A K和Novoselov K S课题组通过TEM试验观测静态悬浮石墨烯表面H/H2分布发现[14],H原子并不在石墨烯的上下两面均匀吸附,而是单面吸附于石墨烯褶皱的弧顶处。对于石墨烯纳机电振子中振动状态的石墨烯,其表面状态在弧顶与凹面之间相互转变,可预测石墨烯表面吸附物,特别是微弱物理吸附效应下的吸附物,将随着振子的振动而在石墨烯表面随着振型重新分布(重布),并着床于较小振幅区域。吸附物重布将打破振子谐振测试技术一贯采用的“均匀分布”假设,给吸附物的谐振检测带来新问题。

1/f噪声,又称Pink noise、flicker noise或者excess noise,因噪声功率谱与频率成反比得名,主要分布在中低频段(<100 kHz)[15],在几乎所有的电子器件,特别是半导体器件中普遍存在[16-18]。噪声产生是载流子在材料内部微观输运过程的宏观表现,反映了器件材料的本征属性,包含了材料内部物理参数的涨落特性。国内庄西安电子科技大学庄奕琪课题组[19-22]、吉林大学郭树旭课题组[23-24]、复旦大学李炳宗课题组[25]等对传统半导体1/f噪声进行了较深入研究;中国科技大学郭国平课题组对悬浮石墨烯量子点的1/f噪声进行了研究[26];中国科学院微电子研究所金智课题组对顶栅调控石墨烯晶体管中的1/f噪声载流子涨落机理进行研究,为抑制1/f噪声提供指导[27]。1/f噪声与样品材料、缺陷、杂质等紧密联系,是研究材料杂质、缺陷等的有效表征工具。

本文针对石墨烯纳机电振子表面物理吸附重布后的检测问题,从动力学建模分析与仿真试验研究两个角度验证石墨烯纳机电振子谐振检测“死区”的存在与谐振检测方法的失效。谐振检测方法失效后,为实现吸附物的有效检测,本文引入基于散射截面涨落的1/f噪声模型,提出基于1/f噪声特征频率吸附物检测新方法,并仿真验证。……