Специалисты из Колумбийского университета (США) сконструировали наномеханический резонатор из подвешенного графена.

Резонансная частота колебаний подвешенной графеновой мембраны, собственная масса которой чрезвычайно мала, изменяется при попадании на нее частиц какого-либо вещества, что позволяет использовать такое устройство в качестве датчика массы.

Аналогичными свойствами обладают углеродные нанотрубки, однако у графена есть одно преимущество: форму двумерного «листа» можно изменять произвольно, — говорит ведущий автор работы Джеймс Хоун (James Hone). — Это дает нам возможность четко контролировать характеристики резонаторов».

Процесс создания резонаторов достаточно прост: ученые располагали графен на подложке из кремния и диоксида кремния, а затем формировали металлические (золотые) электроды и вытравливали в слое диоксида кремния микроканал глубиной около 100 нм. На такую же глубину вытравливалась площадка под той частью электродов, которая контактировала с графеном.

Схематическое изображение устройства (иллюстрация из журнала Nature Nanotechnology)

Устройство управляется с помощью постоянного напряжения V_g, которое позволяет изменять натяжение мембраны и сдвигать резонансную частоту колебаний графенового слоя; для возбуждения колебаний используется напряжение радиочастоты δV_g. Результаты экспериментов говорят о том, что резонансная частота колебаний однослойной графеновой мембраны при V_g = –7 В составляет приблизительно 65 МГц.

Как показали измерения в рабочем режиме, при низких температурах устройство «чувствует» изменение массы графенового слоя приблизительно на 1 зептограмм [10^-21 г], что соответствует двум атомам золота, — рассказал г-н Хоун в интервью сайту Nanotechweb.Org. — Мы также выяснили, что отклик устройства имеет более сложный характер, чем ожидалось: вещество, помещенное на графеновую мембрану, изменяет не только ее массу, но и натяжение».

В настоящее время авторы экспериментируют с различными формами мембран и совершенствуют механизм снятия показаний, пытаясь еще увеличить чувствительность устройства.

Несколько резонаторов, полученных из одного образца однослойного графена, и резонатор на основе графеновой наноленты шириной 200 нм

Изображение подвешенного графена, полученное с помощью атомно-силового микроскопа. Белой линией обозначено сечение, показанное справа

Характеристики устройства, созданного на базе однослойной графеновой мембраны шириной 3 и длиной 1,1 мкм, при V_g = –7 В и δV_g = 19 мВ. Отчетливо виден пик на 65 МГц; ниже 25 МГц заметны пики, соответствующие электродам. Справа показан сдвиг резонансной частоты колебаний мембраны при изменении δV_g; расчетная амплитуда колебаний обозначена как δz.