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X-Doctor | 微纳之声:王曾晖教授用纳米乐器探索微观世界

已有 951 次阅读 2024-9-16 23:05 |系统分类:博客资讯

X-Doctor

2024年,iCANX推出X-Doctor专栏,聚焦iCANX上独辟蹊径用科技创新改变世界的科学家和他们的科学发现,每期揭秘一位科学家和他/她的探索之路,独家报道、干货满满。欢迎大家一同感受科学的魅力,见证这些创新的力量。

第23期,X-Doctor将带你走近电子科技大学王曾晖教授,感受一下他在微纳机电器件和纳米器件领域的创新之旅。


王曾晖教授,电子科技大学二级教授,国家杰青

本科毕业于复旦大学物理系的他,在美国西雅图华盛顿大学物理系获得了博士学位,并在康奈尔大学和凯斯西储大学积累了科研工作经历。2016年,他加入电子科技大学,成为教授及博士生导师。

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王教授的研究领域聚焦于微纳机电器件(M/NEMS)和纳米器件物理方向,尤其在低维微机电器件的研究上取得了较为集中的成就。他的研究成果不仅在《Science》等国际知名期刊上发表,还多次在iCANX等学术交流平台上引起广泛关注。王曾晖教授的学术成就在国际上也广受认可,被选为IEEE纳米技术理事会的杰出讲座报告人,并在多个国际学术会议担任学术职务。

纳米机械谐振器

纳米机械谐振器是一类极具特色的纳米器件。通过发掘和调控纳米材料和纳米结构中的机械自由度,此类器件具有一系列异常优异的特性,并在基础研究和潜在应用中都展现出巨大的潜力:例如,利用纳米机械谐振器,科学家们已经实现了分辨率达10-24g(相当于单个质子质量)的超精密质量传感,以及纳米尺寸的射频信号滤波、解调和混频器件。在过去的十余年间,随着一维和二维材料的发展而出现的原子级尺寸的纳米机械谐振器研究,在全世界都得到了长足发展,并作为一个高度交叉的研究领域吸引了来自物理、材料、化学、机械、电子信息等各个学科的研究者,诞生了一大批重要的成果。

王曾晖教授在这一领域深耕十余年,不仅取得了一系列重要成果,还牵头组织了来自亚洲、欧洲、美洲十余个科研单位的研究者,完成了该领域的重要综述“Nanomechanical Resonators: Toward Atomic Scale”,发表于ACS Nano。https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c01673

这一综述不仅涵盖了王曾晖教授与合作者多年来的研究成果,更是系统且详细地阐述并分析了纳米机械谐振器领域,特别是一维和二维纳米机械谐振器的发展脉络、重要成果、关键挑战,以及对未来的展望。

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纳米机械谐振器的材料选择


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二维纳米谐振器


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基于纳米谐振器的射频信号收发及信号处理研究


微纳世界的音乐之声

为了帮助更多的读者了解这一领域,王曾晖教授与合作者共同撰写了题为“微纳世界的音乐之声——用低维纳米机电器件探索微观世界”的科普文章,发表在《物理》2024年第2期上。这篇文章探讨了具有机械运动自由度的纳米电子器件——纳米机电器件,这些器件不仅能够演奏出独特的音乐之声,还构成了微纳世界的各种乐器。
在文章中,作者们将纳米机电器件比作微纳世界中的乐器,通过这些“乐器”的独特“演奏”,探索了微观世界的奥秘。
这些微纳机电器件,如同宏观世界中的乐器,通过精密的机械振动,能够“演奏”出微纳尺度上的独特音乐之声。王教授的团队通过这些微纳“乐器”,研究了低维体系中的独特相变过程和纳米材料中的力学各向异性效应,打开了一扇观察和理解微观世界的窗口。通过将科学与音乐进行类比,王曾晖尝试了揭示科学与艺术之间的深层次联系。这些相关的研究不仅带来了新的科学发现,也提供了一种新的视角:从艺术的角度欣赏科学之美。
在微纳尺度上,传统的测量技术已不再适用。研究者们采用电学激励和光热激励等先进技术,激发微纳机电器件中的机械振动,并通过电学读取和光学干涉读取等方法,捕捉到这些振动信号。这些技术的应用,使得研究者能够在原子尺度上“听见”微纳“乐器”的音乐之声,进而探索新的低维物理过程和材料体系。

图片一维和二维纳机电谐振器示例图 (a)悬空的一维纳米管(图中箭头所示),类似于琴弦[2];(b)悬空的二维晶体薄膜,类似于鼓面[3]


图片二维谐振器电学读取示意图 (a)双源混频测量:在栅极和二维薄膜上施加频率略有差异的射频信号,并利用谐振器作为混频器;(b)直接读取测量:通过抑制寄生信号,无需混频即可直接读取出器件的振动信号


2021年2月5日,王曾晖教授在iCANX带来分享,《Nanoelectromechanical Systems Based on Low-Dimensional Nanomaterials 用纳米机电器件来探索微尺度世界》可扫码查看回放。

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