石墨烯和二硫化钼纳米器件在常温下的高频振动

原子层纳米机械谐振器的超高频/千兆赫兹（UHF/GHz）振动研究对基础科学和传感、信号处理、量子工程等技术应用具有重要意义，但在室温下实现此类器件的GHz弯曲模式共振一直面临挑战。本研究首次在室温下测量到石墨烯和二硫化钼（MoS₂）谐振器的GHz弯曲振动：多层MoS₂谐振器的多模共振频率（fₘ,ₙ）高达约1.09 GHz，品质因数（Qₘ,ₙ）达约5400；少层石墨烯谐振器的fₘ,ₙ达约1.03 GHz，Qₘ,ₙ约4500。这两者的频率和品质因数均为室温下已报道的原子层纳米机械谐振器中的最高值，fₘ,ₙ×Qₘ,ₙ约为5×10¹² Hz。研究还发现高阶模式的Q值 scaling规律，这有利于GHz共振的探测，将推动原子层谐振器在超高频/千兆赫兹波段实现多模式共振传感和转换功能。

背景方面，石墨烯、过渡金属硫族化合物（TMDCs）等范德华晶体因其优异的力学、光学等物理特性，是构建原子级薄纳机电系统（NEMS）的理想材料。与一维纳米线和碳纳米管器件相比，二维NEMS谐振器动态范围宽、频率调谐范围大、质量极低，但其室温下的UHF/GHz弯曲模式共振一直难以实现。此前3D和1D NEMS谐振器（如碳化硅、硅、碳纳米管）的GHz共振多在低温、超高真空等严苛环境下测量，而二维材料的GHz共振面临器件尺寸过小（基础模式）或技术限制等挑战。

本研究采用替代方案，通过探索高阶弯曲模式实现室温GHz纳米机械谐振器。器件尺寸保持在微米级，便于现有激发/探测技术；同时观察到Q值随模式阶数显著提升，避免了传统的频率-品质因数（f-Q）权衡问题。研究团队制备了两种弹性状态的圆形鼓面谐振器：板状（圆盘）状态（共振频率由弯曲刚度决定）和膜状状态（频率由内张力决定），并在真空（约15毫托）室温下进行表征。

通过定制激光干涉系统（含低噪声高速光电探测器、高增益放大器等），成功检测到多层MoS₂（板状）、少层石墨烯和MoS₂（膜状）的UHF/GHz多模共振。例如，5.2 μm直径的多层MoS₂器件在1-1100 MHz范围内有36个机械共振峰，最高达1.07 GHz；3.2 μm直径的多层MoS₂器件最高模式达1.09 GHz，Q值约5400。少层石墨烯器件最高模式达1.03 GHz，Q值约4500。有限元模拟（FEM）验证了模式形状，并发现Qₘ,ₙ ∝ fₘ,ₙ².²的经验规律，表明高阶UHF/GHz模式的热弹性阻尼、锚定损耗等可能减小。

该成果在传感、射频信号处理和量子工程等领域前景广阔。例如，高阶模式可显著提升质量传感响应度（如1.06 GHz模式的响应度是48.6 MHz基础模式的40倍以上）；通过应变调谐，GHz模式频率可从1 GHz调至6 GHz；高f×Q乘积（约5×10¹² Hz）为光机械冷却和量子相干控制提供可能。