将电机设备压缩至纳米尺度可制造出新的装置,例如超敏感生物感应器、极度精确的加速计、超高速集成电路开关等。康奈尔大学(Cornell University)的研究者们朝向这一目标迈出了重要的一步,他们利用石墨烯制造出大面积阵列纳米尺度共振器。
一种原子薄的形态的碳就被叫做石墨烯,它是单层组成的石墨新材料,它是一种最有潜力的新材料,可以制造纳机电系统(NEMS)。石墨烯是迄今已知最强的材料,也最具导电性。其单原子薄的尺寸意味着它不仅绝对超轻,且可迅速移动。康奈尔大学物理学家保罗·麦克尤恩(Paul McEuen)说,利用石墨烯可制造大量纳米装置,这只需采用研发设备蚀刻硅芯片,是在晶片上蚀刻。然而,用石墨烯制造机械性纳米机器是一个挑战。迄今为止,大多数已研发的装置都是一次性的。
麦克尤恩与其同事——康奈尔大学教授哈罗德·克莱格海德(Harold Craighead)如今已证明,他们可制造出石墨烯纳米器件,该器件名为硅片表面上的共振器。每个共振器的制备都是采用了石墨烯薄膜,这种薄膜可前后震荡,如同弹簧床般上下振动,可以响应作用在其表面的机械力,也可以响应电场。
康奈尔大学研究组首先在硅片表面刻出沟槽。接着,他们将在铜箔上生成的石墨烯薄膜覆盖在硅片上。石墨烯如同保鲜膜般粘着在硅片表面。研究人员最后给石墨烯通上电流,便完成了共振器的制作。在《纳米快报》(Nano Letters)期刊上可在线获得这项研究的描述。
麦克尤恩说:“我们正在大量制作这种相同的共振器,这标志着从实验室的实验转化为一项技术。”早前纳米共振器的制备在这个尺寸不是太薄就是灵敏度不够,或者只能一次生产一个。加利福尼亚大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的物理学教授艾利克斯·赞图(Alex Zettl)说:“制备纳米装置有两大障碍,即扩容性与性能的可重复性。”赞图教授用纳米碳管制作了相似的装置,其中包括一个用单一纳米碳管制成的收音机。赞图说,“使用单层石墨烯使许多装置的制造可一步完成,又具有类似性能。”
石墨烯纳米共振器可制造出灵敏度极高的化学探测器或加速计。悬浮的石墨烯薄膜产生的反应很剧烈,任何重量添加就会这样——哪怕只添加一个分子或一个原子。麦克尤恩说,“它强有力地联系着外部世界,”这就可制成优质传感器。
罗德·洛夫(Rod Ruoff)是奥斯汀(Austin)德克萨斯大学(University of Texas)机械工程学教授,他首创了石墨烯生长与转换技术,就是康奈尔研究小组所使用的技术。洛夫教授表示,这项研究表明,该类型的石墨烯在纳米机械系统中表现优异。但是洛夫说,他看到在共振器的性能上仍存在改进空间。
康奈尔大学的研究者如今正致力于挖掘石墨烯共振器的极限性能。石墨烯的晶格结构决定了它的强度与导电性,但在康奈尔大学迄今所研制的装置中仍不完美。
研究人员也希望能够利用好纳米尺度中的量子效应。麦克尤恩指出,这有助于提升它们的灵敏度。
石墨烯制备超灵敏传感器
评论
8 views