二硫化鉬納米機電系統：超薄、超小、超低功耗！

近日，美國凱斯西儲大學的研究人員通過二維材料二硫化鉬，設計出一種比人類耳膜小10萬億倍的原子級薄度的設備，在無線電頻率範圍內接收並發送信號，並具有可調諧性和大動態範圍的優點。

背景

作為一種典型的二維材料，石墨烯已廣泛應用於各個領域，受到科學界和產業界的追捧。那麼，到底什麼是二維材料呢？簡單說，二維材料是指電子僅可在兩個維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運動（平面運動）的材料，例如：石墨烯、氮化硼、過渡族金屬化合物（二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢）、黑磷等。

二維材料的應用領域非常廣闊，結合筆者之前的介紹，舉例如下：自旋電子、印刷電子、柔性電子、微電子、存儲器、處理器、超透鏡、太赫茲、超級電容、太陽能電池、防偽標籤、量子點、感測器、半導體製造、NFC、醫療等。

除了石墨烯外，二硫化鉬（MoS2）作為一種典型的二維材料，也非常值得我們關注。二硫化鉬，由鉬原子和硫原子組成，只有三個原子的厚度。與石墨烯的薄度近乎相同，但二硫化鉬卻擁有1.8eV的能帶隙，而石墨烯卻不具有能帶隙。對此，筆者曾介紹過美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的科研團隊曾準確地測量出半導體二維材料二硫化鉬（MoS2）的能帶隙，同時也揭示出一種強大的調諧機制，以及二維材料電子與光學特性之間的關係。

（圖片來源：Marilyn Chung/Berkeley Lab）

此外，就電子遷移率（電子在平面薄片中的移動速度）而言，二硫化鉬的電子遷移速率大約是100cm2/vs（即每平方厘米每伏秒通過100個電子），雖然遠低於晶體硅的電子遷移速率1400 cm2/vs ，但是比非晶硅和其他超薄半導體的遷移速度更好。

二硫化鉬因為具有半導體特性好、尺寸小、超薄、柔軟等優點，所以特別適合應用於晶體管、柔性電子、LED、激光、太陽能電池領域。下面舉兩個例子回顧一下相關應用：

1）美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)科學家 Ali Javey 帶領的研究團隊，採用碳納米管和二硫化鉬設計出了1納米的晶體管。

(圖片來源: Sujay Desai / 加州大學伯克利分校)

2）奧地利維也納技術大學和歐盟石墨烯旗艦項目的科研人員研發出MoS2 製成的柔性微處理器，它有望廣泛應用於可穿戴、智能硬體、物聯網等領域。

（圖片來源: Hermann Detz/維也納技術大學 )

創新

今天，筆者要介紹二維材料二硫化鉬(MoS2)又一項新應用。最近，美國凱斯西儲大學（Case Western Reserve University ）正在開發原子級薄度的「鼓膜」。在比我們人耳能聽到的聲音頻率範圍更高的無線電頻率範圍內，它可以接收並發送信號。然而，相比人的耳膜，這種鼓膜的體積要小10萬億倍，厚度要小10萬倍。

（圖片來源: 凱斯西儲大學)

該校電氣工程與計算機科學系副教授、3月30日發表於《科學進展（Science Advances）》上的相關論文的通信作者 Philip Feng 表示：「感知和通信對於相互連接的世界來說非常關鍵。近幾十年來，我們已經通過高度小型化的設備和系統進行互聯，並一直在追求不斷縮小這些設備的尺寸。」

論文的合著者包括：Jaesung Lee（凱斯西儲大學博士後副研究員）、 Max Zenghui Wang（前副研究員，現在在中國成都電子科技大學（UESTC））、Keliang He （凱斯西儲大學物理系前研究生、現在是Nvidia 的高級工程師）、Rui Yang（凱斯西儲大學前研究生、斯坦福大學博士後訪問學者）、 Jie Shan（凱斯西儲大學前物理系教授，現在在康奈爾大學）。

技術

小型化的挑戰：也要實現對於微小信號（例如：聲音、振動、無線電波）的更廣動態範圍的檢測。

Feng 表示：「最終，我們需要變送器（transducers ）來處理這些信號，而不會在『信號最大值』（最高級別的未失真信號）和『基底雜訊』（最低級別的可檢測信號）上丟失或損壞信息。」

研究人員稱，這項研究並不是為了目前市場上的特定設備而開展的，它主要是為了測量、界限和定標。從根本上說，它對於所有的變送器研究來說都很重要。

下一個十年，這些變送器也許將被開發。但現在，Feng 及其團隊已經展示了它們最小尺寸關鍵元件：原子層鼓膜或諧振器。

據報道，這項研究代表了這種類型的振動變送器的最高動態範圍。迄今為止，這個範圍只有通過工作在更低頻率的更大型的變送器，例如人耳鼓膜，才能達到。

Feng 表示：「我們在這裡所做的，就是展示一些最終小型化、原子級薄度的機電鼓膜諧振器可以在高達超過120MHz 的無線電頻率（RF）下，提供非常廣的動態範圍（高達約110dB）。這些無線電頻率的動態範圍可以與處於音頻頻帶的人耳聽力相比。 」

Feng 表示，從動物中自然產生的感知功能到人工設計的複雜設備，所有這些系統的關鍵就是有一個讓人滿意的動態範圍。動態範圍是信號最大值與基底噪音之間的比值，通常以分貝（dB）表示。

人耳鼓膜通常的動態範圍是（60dB ~ 100dB ），頻率範圍是（10Hz ~ 10kHz），而我們的聽力在這個頻率範圍之外下降得很快。其他動物，例如普通家貓或者白鯨（如圖所示），在更高頻段下的動態範圍差不多或者甚至更寬。

（圖片來源: 凱斯西儲大學)

Feng 及其團隊開發的振動納米鼓膜，由半導體晶體的原子層組成（單層、雙層、三層、四層MoS2薄片，厚度分別是0.7納米、1.4納米、2.1納米、2.8 納米），直徑只有1微米。

他們從大塊的半導體晶體上，片狀剝落單獨的原子層，並將納米製造技術與顯微操作技術相結合，讓原子層懸掛在硅晶圓上預先定義的微腔上方，然後與設備進行電氣連接。

Feng 表示，更進一步說，在凱斯西儲大學展開測試的這些原子級薄度的RF諧振器，具有優秀的頻率「可調諧性」，也就是意味著利用靜電力拉伸鼓膜，可以操控它們的「音調」，類似於對管弦樂隊中大型音樂器材進行調音。

這項研究也揭示出，這些令人難以置信的小型鼓膜，只需要皮瓦（pW, 10^-12 瓦）到納瓦（nW, 10^-9 瓦）的RF功率水平，就可以維持高頻振蕩。

價值

未來，這項技術進展有望為打造體積更小、檢測和調諧範圍更大的新一代超低功耗通信和感知設備作出貢獻。

Feng 表示：「它們不僅通過這麼微小的體積和質量達到了驚人的動態範圍，並且也是非常高效且『安靜』的設備。我們非常仔細地『聆聽』它們，並且非常輕聲地與之『交談』。」

關鍵字

半導體、二維材料、感知設備

參考資料

【1】http://thedaily.case.edu/cat-like-hearing-device-trillions-times-smaller-human-eardrum/

【2】Jaesung Lee, Zenghui Wang, Keliang He, Rui Yang,?, Jie Shan, and Philip X.-L. Feng.Electrically tunable single- and few-layer MoS2 nanoelectromechanical systems with broad dynamic range. Science Advances, 30 Mar 2018 DOI: 10.1126/sciadv.aao6653

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