CN110286140B - 一种检测纳机电系统谐振器振动特性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种检测纳机电系统谐振器振动特性的方法，固定并放置单晶二维材料到真空腔室内，真空腔室抽真空；通过调节泵浦光和会聚电子探针脉冲入射单晶二维材料的延迟时间，成像探测系统监测单晶二维材料受激发后产生的菊池衍射图像，经过数据处理，获得单晶二维材料的线性纵向振动和非线性横向振动的振动频率、品质因数。本发明可得到单晶二维材料的线性纵向振动和非线性横向振动的振动频率和品质因数。
Description
技术领域
本发明属于二维材料振动特性技术领域，具体涉及一种检测纳机电系统谐振器振动特性的方法。
背景技术
纳机电系统谐振器相比微机电系统谐振器，由于其纳米尺度表现出的特有效应如表面效应、小尺寸效应以及宏观量子隧道效应等，使其质量更轻、功耗更低、灵敏度也更高，从而被应用于射频通信，信息存储以及传感器等领域。纳机电系统谐振器的基本原理为梁结构在外部激励下呈现周期性振动。二维材料因具有超轻的质量、大的比表面积以及其他的一些优异性能使其成为制作纳机电系统谐振器的优异梁结构。
检测谐振器的振动特性对于研究谐振器的性能具有重要意义，谐振频率（f）和品质因数（Q）是谐振器的重要检测参数。
目前对梁结构的振动特性检测的方法主要有静电力激励与电容检测法、磁激励与感生电动势检测法、激光干涉测量法、光学泵浦-探测技术等。静电力激励与电容检测法是通过在谐振器中施加交变电压，由于梁结构与衬底电极之间的静电力在不断的变化，激励纳米梁产生振动，通过检测电容变化，得出振动特性。磁激励与感生电动势检测法是将谐振器置于磁场中，加交变电流产生感生电动势，通过检测电动势的变化，来研究振动特性。静电力激励与电容检测法、磁激励与感生电动势检测法在微机电谐振器应用较多，但是由于纳机电系统谐振器尺寸较小，检测受到一定的限制。激光干涉测量法是用激光进行激励，用光学干涉法检测谐振器的振动特性。激光干涉测量法在微米级尺寸的器件灵敏度较高，当器件尺寸减小到纳米级尺寸时，由于强烈的衍射现象而降低了灵敏度。光学泵浦-探测技术检测纳米机械振动特性是通过观察样品的透射和反射的变化得到纳米机械声学声子共振的频率f和品质因数Q的值。光学泵浦-探测技术可以得到比较灵敏的数据，利用超快时间分辨更好地分析纳米器件的弹性振动。但是光学探测无法直接观测材料微观结构的变化过程以及非线性振动行为。
目前对于纳机电系统谐振器振动特性的微观机理研究大多停留在理论阶段，缺少相应的实验研究。理论方法有混合原子结构原理模拟、分子动力学模拟、连续介质弹性模型等。这些理论方法研究表明纳机电系统谐振器在微小的激励作用下就可以形成非线性横向振动，而非线性振动对其性能有重要影响。因此，研究纳机电系统谐振器的线性振动和非线性振动对于研究其振动特性具有重要的意义。但是这些研究还是理论模拟上的，缺少实验研究。
发明内容
本发明的目的就在于解决现有技术存在的上述问题，提供一种检测纳机电系统谐振器振动特性的方法，对作为梁结构的单晶二维材料进行观测分析，来研究纳机电系统谐振器的振动特性，即谐振频率和品质因数。其目的在于通过用超快电子衍射技术观测单晶二维材料的菊池衍射图像，经过分析得到线性纵向振动和非线性横向振动的振动频率和品质因数，进而得到纳机电系统谐振器的振动特性。为研究纳机电系统谐振器的振动特性微观机理提供一种新的观测分析手段，解决因纳机电系统谐振器尺寸较小，难以检测其振动特性及揭示其微观机理的难题。
一种检测纳机电系统谐振器振动特性的方法，包括以下步骤：
步骤1、将作为纳机电系统谐振器梁结构的单晶二维材料制备好放于铜网上；
步骤2、将放有单晶二维材料的铜网装在样品架上，通过样品架将单晶二维材料传送到真空腔室内，真空腔室抽真空；
步骤3、飞秒激光系统产生飞秒激光，飞秒激光经过分光镜分为两束，分别为第一束飞秒激光和第二束飞秒激光，第一束飞秒激光作为泵浦光经过光学延迟平台入射位于真空腔室内的单晶二维材料，第二束飞秒激光经过倍频仪后入射电子枪，电子枪输出会聚电子探针脉冲，会聚电子探针脉冲入射位于真空腔室内的单晶二维材料，通过调节光学延迟平台获得不同的延迟时间下的菊池衍射图像，成像探测系统监测单晶二维材料受激发后产生的菊池衍射图像；
步骤4、将获得的菊池衍射图像进行晶面指数标定，可得到菊池衍射图像里菊池线所对应的晶面指数，通过晶面指数获得晶面的三维空间位置，根据菊池线获得一维衍射强度位置分布图，根据晶面在不同延迟时间下所对应的一维衍射强度位置分布图获得晶面的菊池线在不同延迟时间下的衍射强度位移随时间变化的振动曲线，根据晶面的菊池线在不同延迟时间下的衍射强度位移随时间变化的振动曲线得到晶面的倾斜角随延迟时间变化的振动曲线，对倾斜角随延迟时间变化的振动曲线经快速傅里叶变换，得到晶面的振动频率和品质因数。
步骤5、将各晶面的振动频率和品质因数汇总，根据晶面的三维空间位置，得出单晶二维材料的线性纵向振动和非线性横向振动的振动频率、品质因数。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
提供了一种全新的方法观测分析纳机电系统谐振器的振动特性，即线性纵向振动和非线性横向振动的振动频率和品质因数；
采用直接对单晶二维材料（梁结构）进行成像观测分析的方法，研究单晶二维材料（梁结构）振动特性与梁结构材料本身属性的关系，之前的检测分析方法几乎都是对谐振器的振动参数进行测量，并没有研究梁结构材料本身的属性对振动特性的影响；
可以直接观测单晶二维材料（梁结构）振动时微观结构的演变过程，为研究材料振动特性的微观机理提供实验数据，可以更直观的探测纳机电系统谐振器梁结构振动过程的结构动力学过程。
附图说明
图1为本发明所用的检测纳机电系统谐振器振动特性的装置的构成示意图；
图2是本发明实施例中单晶二维材料PbI2在1000目铜网上的透射电子显微镜成像；
图3是本发明实施例中单晶二维材料PbI2的菊池衍射图像。
图中：1-飞秒激光系统；2-分光镜；3-倍频仪；4-电子枪；5-单晶二维材料；6-成像探测系统；7-光学延迟平台；401-光阴极；402-针孔；403-电子光学控制单元。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一种检测纳机电系统谐振器振动特性的装置，包括飞秒激光系统、真空腔室、电子枪、成像探测系统、和光路延时平台。
飞秒激光系统产生飞秒激光，飞秒激光经过分光镜分为两束，分别为第一束飞秒激光和第二束飞秒激光，第一束飞秒激光经过倍频仪后入射电子枪，电子枪输出会聚电子探针脉冲，会聚电子探针脉冲入射位于位于真空腔室内的单晶二维材料，第二束飞秒激光作为泵浦光通过光路延时平台进行延时后入射位于位于真空腔室内的单晶二维材料。成像探测系统监测单晶二维材料激发产生的菊池衍射图像。
单晶二维材料设置在铜网上。
本实施例中梁结构采用单晶二维材料，为了便于用超快电子衍射技术研究，单晶二维材料尽量选用横向尺寸较大且多层厚度的。
一种检测纳机电系统谐振器振动特性的方法如图2所示，包括以下步骤：
步骤1、将单晶二维材料制备好放于铜网上，先在透射电子显微镜下对单晶二维材料进行表征，判断单晶二维材料的结晶性、横向尺寸、平整度。
本实施例中单晶二维材料为PbI2样品，单晶二维材料制备好放于1000目铜网上，在透射电子显微镜下成像如图2所示，衍射图样如图3所示。可以看到单晶二维材料的平整度，结晶度较好，横向尺寸较大。
步骤2、将放有单晶二维材料的铜网装在样品架上，通过样品架将单晶二维材料传送到真空腔室内，准备菊池衍射实验，真空腔室抽真空。
步骤3、飞秒激光系统产生飞秒激光，飞秒激光经过分光镜分为两束，分别为第一束飞秒激光和第二束飞秒激光，第一束飞秒激光作为泵浦光经过光学延迟平台入射位于真空腔室内的单晶二维材料，第二束飞秒激光经过倍频仪后入射电子枪，电子枪输出会聚电子探针脉冲，会聚电子探针脉冲入射位于真空腔室内的单晶二维材料。通过调节光学延迟平台获得不同的延迟时间下的菊池衍射图像，成像探测系统监测单晶二维材料受激发后产生的菊池衍射图像，，例如：延迟时间为1ps、2ps、3ps……nps。n为自然数，菊池衍射图像由成像探测系统记录并传送到计算机系统。
步骤4、将计算机系统里获得的菊池衍射图像进行晶面指数标定，可得到菊池衍射图像里每对菊池线（菊池线亮线和菊池线暗线）所对应的晶面指数，通过晶面指数获得晶面的位置。选取其中一个晶面对应的菊池线亮线转化为一维衍射强度位置分布图，根据这个晶面在不同延迟时间下所对应的一维衍射强度位置分布图获得这个晶面的菊池线在不同延迟时间下的衍射强度位移随时间变化的振动曲线，由于菊池线衍射强度位移变化对应于相应晶面的倾斜角变化，将这个晶面的菊池线在不同延迟时间下的衍射强度位移随时间变化的振动曲线进行处理，得到晶面的倾斜角随延迟时间变化的振动曲线。对倾斜角随延迟时间变化的振动曲线经快速傅里叶变换，得到这个晶面的振动频率和品质因数。
采用同样的方法，将每个晶面进行处理，得到每个晶面的振动频率和品质因数。将各晶面的振动频率和品质因数汇总，根据晶面的位置，得出单晶二维材料的线性纵向振动和非线性横向振动的振动频率、品质因数。
需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (1)
1.一种检测纳机电系统谐振器振动特性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将作为纳机电系统谐振器梁结构的单晶二维材料制备好放于1000目铜网上；
步骤2、将放有单晶二维材料的铜网装在样品架上，通过样品架将单晶二维材料传送到真空腔室内，真空腔室抽真空；
步骤3、飞秒激光系统产生飞秒激光，飞秒激光经过分光镜分为两束，分别为第一束飞秒激光和第二束飞秒激光，第一束飞秒激光作为泵浦光经过光学延迟平台入射位于真空腔室内的单晶二维材料，第二束飞秒激光经过倍频仪后入射电子枪，电子枪输出会聚电子探针脉冲，会聚电子探针脉冲入射位于真空腔室内的单晶二维材料，通过调节光学延迟平台获得不同的延迟时间下的菊池衍射图像，成像探测系统监测单晶二维材料受激发后产生的菊池衍射图像；
步骤4、将获得的菊池衍射图像进行晶面指数标定，可得到菊池衍射图像里菊池线所对应的晶面指数，通过晶面指数获得晶面的三维空间位置，根据菊池线获得一维衍射强度位置分布图，根据晶面在不同延迟时间下所对应的一维衍射强度位置分布图获得晶面的菊池线在不同延迟时间下的衍射强度位移随时间变化的振动曲线，根据晶面的菊池线在不同延迟时间下的衍射强度位移随时间变化的振动曲线得到晶面的倾斜角随延迟时间变化的振动曲线，对倾斜角随延迟时间变化的振动曲线经快速傅里叶变换，得到晶面的振动频率和品质因数；
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