利用焦耳热调控石墨烯机械振子非线性的装置及方法

1.本发明涉及石墨烯机械振子的制备、腔光力学、非线性等基础研究及应用领域。具体为一种利用焦耳热调控石墨烯机械振子非线性的方法与装置。

背景技术：

2.在微纳米级的机械振子中，非线性是其在与外界条件发生谐振的过程中表现出的一个重要特征，在信号放大、传感、灵敏度改善以及基础科研等领域已经有了相当广泛的发展，近几十年来，人们对于微纳机电系统中的动态特性的研究及应用的兴趣日益浓厚，非线性作为微纳机械振子中一种重要的性质，也因此受到了越来越广泛的理论和实验研究。如：内部共振、非线性联运耦合、非线性同步等。然而，非线性作为器件自身的一种固有性质很难被调谐。之前的一些研究表明，温度的变化会导致器件材料特性的变化，硅基机械振子的非线性可以通过施加一定的焦耳加热功率来进行调节。
3.本发明的目的是提供一种基于焦耳热调控石墨烯机械振子非线性的方法与装置，石墨烯作为一种在光学、电学、机械性能等方面有着优秀的特性的二维材料，在微纳器件领域有着广泛的应用前景。基于石墨烯制备的机械振子其特点是：尺寸小、灵敏度高、制备工艺简单。通过对栅极施加直流电压使石墨烯机械振子产生非线性，对源漏极施加焦耳热功率可以进一步实现非线性的动态调控。

技术实现要素：

4.为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
5.一种利用焦耳热调控石墨烯机械振子非线性的装置，包括：
6.石墨烯机械振子：包括硅衬底4、硅衬底4内部的凹槽、凹槽底部的栅极3、凹槽顶部两端的源漏接触电极2、源漏接触电极2上方的悬浮石墨烯1，所述悬浮石墨烯1包括固定于源漏接触电极2上的两端平直段、以及悬浮于凹槽上方的中部悬浮段；悬浮石墨烯的中部悬浮段与硅衬底之间形成光学谐振腔；
7.将驱动激光和探测激光照射到光学谐振腔；对栅极施加直流电压，产生电场，悬浮石墨烯在静电力吸引下产生形变，谐振频率被调制，产生非线性；
8.对石墨烯机械振子的源漏接触电极2通入直流电压，悬浮石墨烯内部随之产生一定功率的焦耳热，调节焦耳热功率的大小实现对石墨烯机械振子非线性的动态调控。
9.作为优选方式，利用电感耦合等离子刻蚀和刻蚀在硅衬底表面刻蚀出凹槽，避免由于镀膜时角落金属的堆积而导致源漏极与栅极之间形成导电通路而漏电的问题。
10.作为优选方式，源漏接触电极以及栅极的制备共经过两次光刻和一次镀膜完成：第一次光刻暴露出栅极所在位置，第二次光刻暴露出源漏接触电极所在位置。
11.作为优选方式，悬浮石墨烯1通过石墨烯薄膜或条带利用机械剥离的办法来制备。
12.作为优选方式，所述硅衬底4由单晶硅表面生长二氧化硅和氧化硅作为保护层实
现。
13.作为优选方式，悬浮石墨烯1通过石墨烯薄膜或条带转移到具有凹槽的硅衬底表面并将凹槽覆盖来实现。
14.作为优选方式，凹槽底部镀导电金属以形成栅极。
15.本发明还提供一种利用焦耳热调控石墨烯机械振子非线性的方法，使用上述任意一项所述装置，其为：驱动激光和探测激光照射到光学谐振腔，对栅极施加直流电压，产生电场，石墨烯在静电力吸引下产生形变，谐振频率被调制，产生非线性；
16.对石墨烯机械振子的源漏接触电极2通入直流电压，悬浮石墨烯内部随之产生一定功率的焦耳热，调节焦耳热功率的大小能够实现对石墨烯机械振子非线性的动态调控。
17.本发明的有益效果为：本发明所述的石墨烯机械振子具有工艺简单、体积小、谐振频率高等优点，同时可以实现焦耳热对其非线性的动态调控。本发明的一种稳定调控机械振子非线性的装置对于谐振子在高温场景下的应用，以及量子信息器件、非线性等领域，具有重要的基础研究意义及应用前景。
附图说明
18.图1为本发明利用焦耳热调控石墨烯机械振子非线性的装置结构示意图。
19.图2为实施例1中焦耳热对石墨烯机械振子明显的非线性调控示意图，其中a～d表示焦耳加热功率分别为1.10mw、2.04mw、4.87mw、10.40mw时石墨烯机械振子的谐振模式。
20.1为悬浮石墨烯，2为源漏接触电极，3为栅极，4为硅衬底。
具体实施方式
21.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
22.实施例1
23.如图1所示，本实施例提供一种利用焦耳热调控石墨烯机械振子非线性的装置，包括：
24.石墨烯机械振子：包括硅衬底4、硅衬底4内部的凹槽、凹槽底部的栅极3、凹槽顶部两端的源漏接触电极2、源漏接触电极2上方的悬浮石墨烯1，所述悬浮石墨烯1包括固定于源漏接触电极2上的两端平直段、以及悬浮于凹槽上方的中部悬浮段；悬浮石墨烯的中部悬浮段与硅衬底之间形成光学谐振腔；
25.将驱动激光和探测激光照射到光学谐振腔；对栅极施加直流电压，产生电场，悬浮石墨烯在静电力吸引下产生形变，谐振频率被调制，产生非线性；
26.对石墨烯机械振子的源漏接触电极2通入直流电压，悬浮石墨烯内部随之产生一定功率的焦耳热，调节焦耳热功率的大小实现对石墨烯机械振子非线性的动态调控。
27.具体的，本实施例中利用电感耦合等离子刻蚀和刻蚀在硅衬底表面刻蚀出凹槽，避免由于镀膜时角落金属的堆积而导致源漏极与栅极之间形成导电通路而漏电的问题。
28.具体的，本实施例中源漏接触电极以及栅极的制备共经过两次光刻和一次镀膜完成：第一次光刻暴露出栅极所在位置，第二次光刻暴露出源漏接触电极所在位置。
29.具体的，本实施例中悬浮石墨烯1通过石墨烯薄膜或条带利用机械剥离的办法来制备。
30.具体的，本实施例中所述硅衬底4由单晶硅表面生长二氧化硅和氧化硅作为保护层实现。
31.具体的，本实施例中悬浮石墨烯1通过石墨烯薄膜或条带转移到具有凹槽的硅衬底表面并将凹槽覆盖来实现。
32.具体的，本实施例中凹槽底部镀导电金属以形成栅极。
33.实施例2
34.本实施例提供一种利用焦耳热调控石墨烯机械振子非线性的方法，使用实施例1的所述装置，其为：驱动激光和探测激光照射到光学谐振腔，当激光入射到石墨烯机械振子光学谐振腔时，波长780nm的正弦驱动激光照射到石墨烯薄膜表面形成共振驱动；波长633nm的探测激光入射到石墨烯机械振子时，其反射光强信号转换为电信号，通过锁相放大器读出石墨烯机械振子的振动模式。对石墨烯机械振子的栅极施加直流电压，产生电场，石墨烯在静电力吸引下产生形变，谐振频率被调制，产生非线性；凹槽上方的石墨烯薄膜受驱动产生振动，谐振频率被栅极电压所调控。
35.在栅极电压的作用下，谐振模式会表现出复杂的非线性，与此同时，对石墨烯机械振子的源漏接触电极2通入直流电压，使悬浮石墨烯内部产生一定功率的焦耳热，调节焦耳热功率的大小能够实现对石墨烯机械振子非线性的动态调控。图2中的a～d表示焦耳加热功率分别为1.10mw、2.04mw、4.87mw、10.40mw时石墨烯机械振子的谐振模式，该组图呈现了明显的非线性可调性。
36.实施例3
37.如图1所示，本实施例提供了一种利用焦耳热调控石墨烯机械振子非线性的装置，通过紫外曝光技术、等离子体刻蚀技术、刻蚀、电子束蒸发镀膜技术等制备出具有凹槽结构的硅衬底；少层的石墨烯由机械剥离得到并悬浮于硅衬底的凹槽上，形成双端固定中间悬浮的结构，石墨薄膜与衬底构成了一个光学谐振腔。
38.在单晶硅表面依次生长二氧化硅和氮化硅作为保护层，使其能够利用的选择刻蚀性，在硅衬底表面刻蚀出底切under-cut结构。在凹槽的底部和两端均生长出微电极结构，其中两端的微电极与少层石墨烯薄膜相接触。
39.本实施例还提供一种具体的石墨烯机械振子制备方法，流程如下：
40.(1)预处理：包括硅片的切割、表面清洁、烘干等步骤。
41.(2)一次光刻：对预处理后的硅片依次进行涂胶、前烘、曝光、中烘、泛曝光、显影、定影、后烘处理，得到预先设计的凹槽图案；
42.(3)等离子体刻蚀：将一次光刻后的硅片置于icp设备中进行刻蚀，得到凹槽结构；
43.(4)刻蚀：将等离子刻蚀后的硅片置于一定浓度的溶液中进行湿法刻蚀，得到under-cut结构；
44.(5)二次光刻：将刻蚀后的硅片依次进行涂胶、前烘、曝光、中烘、泛曝光、显影、定影、后烘处理，将需要电极的区域暴露出来；
45.(6)电子束蒸镀：二次光刻后的硅片置于电子束蒸发镀膜机中进行镀膜，得到具有源、漏、栅极的硅衬底；
46.(7)石墨烯的干法转移：胶带撕取少层石墨烯，利用干法转移平台将少层石墨烯转移到硅衬底的凹槽上方，使其两端与源漏极接触，中间部分悬空。
47.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：

1.一种利用焦耳热调控石墨烯机械振子非线性的装置，其特征在于包括：石墨烯机械振子：包括硅衬底(4)、硅衬底(4)内部的凹槽、凹槽底部的栅极(3)、凹槽顶部两端的源漏接触电极(2)、源漏接触电极(2)上方的悬浮石墨烯(1)，所述悬浮石墨烯(1)包括固定于源漏接触电极(2)上的两端平直段、以及悬浮于凹槽上方的中部悬浮段；悬浮石墨烯的中部悬浮段与硅衬底之间形成光学谐振腔；将驱动激光和探测激光照射到光学谐振腔；对栅极施加直流电压，产生电场，悬浮石墨烯在静电力吸引下产生形变，谐振频率被调制，产生非线性；对石墨烯机械振子的源漏接触电极(2)通入直流电压，悬浮石墨烯内部随之产生一定功率的焦耳热，调节焦耳热功率的大小实现对石墨烯机械振子非线性的动态调控。2.根据权利要求1所述的利用焦耳热调控石墨烯机械振子非线性的装置，其特征在于：利用电感耦合等离子刻蚀和刻蚀在硅衬底表面刻蚀出凹槽，避免由于镀膜时角落金属的堆积而导致源漏极与栅极之间形成导电通路而漏电的问题。3.根据权利要求1所述的利用焦耳热调控石墨烯机械振子非线性的装置，其特征在于：源漏接触电极以及栅极的制备共经过两次光刻和一次镀膜完成：第一次光刻暴露出栅极所在位置，第二次光刻暴露出源漏接触电极所在位置。4.根据权利要求1所述的利用焦耳热调控石墨烯机械振子非线性的装置，其特征在于：悬浮石墨烯(1)通过石墨烯薄膜或条带利用机械剥离的办法来制备。5.根据权利要求1所述的利用焦耳热调控石墨烯机械振子非线性的装置，其特征在于：所述硅衬底(4)由单晶硅表面生长二氧化硅和氧化硅作为保护层实现。6.根据权利要求1所述的利用焦耳热调控石墨烯机械振子非线性的装置，其特征在于：悬浮石墨烯(1)通过石墨烯薄膜或条带转移到具有凹槽的硅衬底表面并将凹槽覆盖来实现。7.根据权利要求1所述的利用焦耳热调控石墨烯机械振子非线性的装置，其特征在于：凹槽底部镀导电金属以形成栅极。8.一种利用焦耳热调控石墨烯机械振子非线性的方法，使用权利要求1至7任意一项所述装置，其特性在于：驱动激光和探测激光照射到光学谐振腔，对栅极施加直流电压，产生电场，石墨烯在静电力吸引下产生形变，谐振频率被调制，产生非线性；对石墨烯机械振子的源漏接触电极(2)通入直流电压，悬浮石墨烯内部随之产生一定功率的焦耳热，调节焦耳热功率的大小能够实现对石墨烯机械振子非线性的动态调控。

技术总结

本发明提供一种利用焦耳热调控石墨烯机械振子非线性的装置及方法，石墨烯机械振子包括硅衬底、凹槽、栅极、源漏接触电极、悬浮石墨烯，悬浮石墨烯包括两端平直段和中部悬浮段；悬浮石墨烯的中部悬浮段与硅衬底之间形成光学谐振腔；将驱动激光和探测激光照射到光学谐振腔；对栅极施加直流电压，产生电场，悬浮石墨烯在静电力吸引下产生形变，谐振频率被调制，产生非线性；对石墨烯机械振子的源漏接触电极通入直流电压，悬浮石墨烯内部随之产生一定功率的焦耳热，调节焦耳热功率的大小实现对石墨烯机械振子非线性的动态调控。本发明装置具有易于制备、便于调控、成本较低、制备周期短等优点，这种装置在高温等领域有着很重要的意义和研究价值。研究价值。研究价值。