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客户成果丨北京理工大学《ACS AMI》：不同原子层数的悬浮石墨烯薄膜的纳机电压力传感器

北京理工大学集成电路与电子学院范绪阁教授团队在石墨烯压力传感器领域取得最新进展，该研究成果以“Electromechanical Pressure Sensing of Suspended Graphene Membranes with Different Atomic Layers”为题，发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上。

石墨烯凭借其原子级厚度与卓越的电学及力学性能，成为极具前景的压力传感材料。基于不同厚度的悬浮石墨烯薄膜压力传感器有望提升器件性能，但该领域尚未开展相关研究。本文成功制备了基于单层、双层及三层悬浮石墨烯薄膜的纳机电压力传感器。其中单层石墨烯压力传感器在各类制备器件中展现出最高的灵敏度（1.65×10⁻⁴ kPa⁻¹）。此外，基于单层石墨烯压力传感器的石墨烯膜单位面积归一化灵敏度（1.67×10⁻⁶ kPa⁻¹μm⁻²）高于先前报道的石墨烯压力传感器。而基于三层石墨烯膜压力传感器在长期压力维持测试过程中展现出优异的稳定性（电阻漂移率约0.02%）和耐久性。基于实验结果，针对不同原子层数的石墨烯压力传感器进行了仿真计算，得到悬浮石墨烯薄膜的挠度、应变及压阻应变系数。这些发现有助于深入理解悬浮石墨烯薄膜的特性，并推动基于二维薄膜的超小型高性能气压传感器的研发。

图1. 基于不同原子层数石墨烯器件的压力循环测试。（a-c）基于单层石墨烯、双层石墨烯和三层石墨烯的压力传感器的快速压力循环测试。（d-f）在多次“抽真空”与“破真空”循环条件下，器件1-3的相对电阻变化与压力关系。（g-i）通过施加矩形波压力变化对器件1-3进行重复性测试。

为比较不同原子层数石墨烯压力传感器的稳定性，对器件1-3进行了阶跃压力响应测量。此外，器件1-3的输出信号与压力的变化趋势一致，表明石墨烯压力传感器具有良好的跟踪性能。进一步研究发现，单层和双层石墨烯基压力传感器比三层石墨烯基压力传感器具有更优异的跟随性。为进一步研究不同原子层数石墨烯膜基压力传感器的稳定性与耐久性，对器件1-3进行了100个周期的尖脉冲压力测试。测试结果表明，基于单层、双层和三层石墨烯薄膜的压力传感器在经历100次尖脉冲压力测试后仍具有相当良好的稳定性。因此，为验证基于三层石墨烯的压力传感器的长期稳定性和可靠性，对器件3进行了5分钟和10分钟的压力维持测试，器件3在测试中的电阻漂移率分别为0.01%和0.02%，表明三层石墨烯压力传感器具有良好的耐久性和稳定性。

图2. 不同原子层数石墨烯器件的稳定性与耐久性测试结果。(a-c) 单层、双层、三层石墨烯压力传感器（器件1-3）的阶梯型压力测试。(d-f) 器件1-3的 100 次压力循环测试。(g) 器件3的5min压力维持测试。(h) 器件3的10min压力维持测试。(i) 不同原子层数石墨烯压力传感器的灵敏度对比。

为验证不同原子层数石墨烯压力传感器的性能特性，利用COMSOL软件对单层、双层及三层石墨烯基压力传感器进行建模与仿真。结果表明，在相同压力下单层石墨烯膜的挠度最大，优于双层和三层石墨烯膜。同样，在不同压力水平下，单层膜（位于石墨烯膜中心位置）的挠度大于双层和三层石墨烯膜。此外，不同压力水平下单层石墨烯膜的应变值均大于双层和三层石墨烯膜。此外，单层、双层和三层石墨烯膜的GF值分别为3.33、4.01和1.64，均与先前报道的石墨烯膜的GF值处于相同数量级。

图3. 基于不同原子层数石墨烯压力传感器的灵敏度对比及有限元仿真。(a) 单层石墨烯压力传感器与其他石墨烯压力传感器的归一化灵敏度对比。(b) 单层石墨烯膜在70 kPa压力下的挠度分布。(c) 单/双/三层石墨烯膜在70 kPa压力下随空腔位置变化的挠度分布。(d) 不同压力下单/双/三层石墨烯膜中心位置的挠度变化。(e) 不同压力下单/双/三层石墨烯膜中心位置的应变分布。(f) 不同原子层数石墨烯膜压阻应变系数的对比。