近日，北京理工大学前沿交叉科学研究院范绪阁教授课题组（微纳机电传感器与石墨烯课题组）与中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室主任张文栋教授等研究人员合作，在石墨烯微纳机电系统与传感器领域发表重要综述论文。相关成果以“Graphene MEMS and NEMS”为题发表在微纳加工与传感领域的国际顶级期刊、 Nature旗下合作期刊《Microsystems & Nanoengineering》（中科院SCI分区/JCRSCI分区双一区）上。该工作以北京理工大学为第一通讯单位，该论文第一作者为北京理工大学范绪阁教授，通讯作者为北京理工大学范绪阁教授、丁洁副教授及中北大学张文栋教授。石墨烯自2004年诞生以来，已经过去20年，该篇综述论文首次系统全面的总结了过去20年石墨烯在各种微纳机电系统与传感器领域的研究进展，如图1所示，文章总结了石墨烯微纳机电系统的优点、特性、各种跨导机制、转移集成、悬浮结构制备技术、电连接与图案化刻蚀；全面归纳了基于悬浮石墨烯的硅基与基于非悬浮石墨烯的柔性微纳机电器件最新研究进展；讨论了石墨烯MEMS/NEMS与传感器的应用潜能与未来发展趋势、所面临的技术挑战及潜在的解决思路。
论文全面详细报道了近20年来各种石墨烯基MEMS/NEMS及器件的最新研究进展，讨论了石墨烯的相关特性、介绍了石墨烯NEMS结构制备关键技术。首先，总结了不同类型的石墨烯材料及特性、不同的石墨烯NEMS跨导机制（压阻、静电、谐振、霍尔效应等）。其次，讨论了应用于NEMS的各种石墨烯制备与集成技术，包括转移与图案化刻蚀方法（图2）、电接触方法、石墨烯悬浮技术。接下来，归纳了基于悬浮石墨烯结构的硅基MEMS/NEMS器件（图3、4）以及基于非悬浮石墨烯结构的MEMS/NEMS器件（图5），包括各种气压传感器、谐振器、加速度传感器、质量传感器、气体传感器、霍尔传感器、电机械开关、麦克风、扬声器以及柔性器件（如透明电极、应变传感器、压力传感器、声音发射与接收器件）。最后，讨论了石墨烯MEMS/NEMS与传感器的应用潜能与未来发展趋势、所面临的技术挑战及潜在的解决思路。
图1 石墨烯微纳机系统与传感器：材料特性、跨导机制、石墨烯转移集成工艺、石墨烯图案化刻蚀与电接触、悬浮石墨烯的MEMS/NEMS器件、非悬浮石墨烯的MEMS/NEMS器件
图2 不同的石墨烯转移集成方法
图3 基于悬浮石墨烯的NEMS气压传感器等
图 4 基于石墨烯悬浮质量块的NEMS跨导器与加速度传感器
图 5 基于石墨烯的柔性压力/应变传感器
石墨烯具备原子层级别的厚度、优异的机械与电学特性如高杨氏模量、高电子迁移速率、压阻效应等，因此石墨烯作为跨导器薄膜可应用于微纳机电系统（MEMS/NEMS），有潜力大幅度降低MEMS/NEMS器件的尺寸、显著提升器件的灵敏度等性能。原子层厚度的石墨烯可以自悬浮作为敏感薄膜、也可以集成到其他悬浮薄膜的表面作为敏感薄膜。墨烯的二维平面结构使其与标准的光刻等半导体微纳制备工艺兼容。石墨烯在电子学（如晶体管、透明电极、超级电容器、自旋电子学）、光学（如光电探测器、光调制器）、复合材料（如聚合物增强、润滑剂）等领域的应用已被广泛研究。由于其独一无二的特性，石墨烯同样有潜力应用于MEMS/NEMS。基于石墨烯NEMS谐振器的综述、基于石墨烯的光电探测器的综述、基于悬浮二维材料薄膜的NEMS传感器综述先前已被报道，但基于石墨烯的MEMS与NEMS综述尚未被系统全面的报道过。
随着石墨烯材料的质量与商业实用性变得越来越成熟，石墨烯在MEMS/NEMS、硅基传感器、柔性可穿戴器件等领域将有更多新的令人振奋的应用。除了石墨烯之外，其他二维材料（如二维过渡金属硫化物）与二维异质层也有巨大潜力应用于MEMS/NEMS与传感器等领域，同样有潜力大幅度降低器件尺寸、显著改善器件性能（如灵敏度）。基于石墨烯的NEMS传感器所面临的主要挑战包括相抵较低的器件良率、相对较差的器件稳定性与可靠性。潜在的解决方案包括：优化生长条件制备出高质量大面积的单晶石墨烯、优化石墨烯转移集成技术、使用气相HF与超临界干燥等优化石墨烯悬浮技术、使用多原子层石墨烯或石墨烯与其他纳米薄膜的堆栈作为敏感薄膜、使用h-BN等对石墨烯薄膜进行封装保护等。
论文详情：Xuge Fan, Chang He, Jie Ding, Qiang Gao, Hongliang Ma, Max C. Lemme, Wendong Zhang, Graphene MEMS and NEMS, Microsystems & Nanoengineering, 10, 154 (2024).
DOI: https://doi.org/ 10.1038/s41378-024-00791-5
论文链接： https://www.nature.com/articles/s41378-024-00791-5#article-info
本研究受到国家自然科学基金、XXX技术领域基金、北京市自然科学基金、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金优秀青年基金（海外）、北京理工大学特立青年学者人才支持计划启动项目、北京理工大学科技创新计划等项目的资助。
先前，在二维薄膜NEMS传感器方面，范绪阁教授与其合作者于2020年在国际知名期刊、Science旗下合作期刊《Research》上受邀发表长篇重要综述论文“Nanomechanical Sensors based on Suspended 2D Materials”，受到广泛关注，被引次数达140余次（谷歌学术）。2024年，范绪阁教授课题组与中北大学张文栋教授合作在国际重要期刊IEEE Sensors Journal 发表重要综述论文“Recent Advances in Graphene-Based Pressure Sensors: A Review”与“Recent Advances in Graphene-Based Humidity Sensors With the Focus on Structural Design: A Review”分别系统综述了基于石墨烯的气压/压力传感器与湿度传感器的最新研究进展。相关研究成果具体发表在Research, 2020, 8748602, 1-25, 2020; IEEE Sensors Journal, 24, 16, 25227-25248, 2024；IEEE Sensors Journal,24,13，20289-20311.具体发表链接如下：
https://doi.org/10.34133/2020/8748602
https://doi.org/10.1109/JSEN.2024.3419243
https://doi.org/10.1109/JSEN.2024.3398003
附作者简介：
范绪阁，第一作者、共同通讯作者，北京理工大学前沿交叉科学研究院教授，国家级海外高层次青年人才、北京理工大学特立青年学者。留学瑞典皇家理工学院8余年，博士导师： Frank Niklaus教授, 硕士导师：张文栋教授。研究方向为MEMS、NEMS、微纳传感器、微纳加工、石墨烯等敏感薄膜。曾率先研制出超小、高灵敏石墨烯纳机电加速度传感器原型器件。以一作或通讯在Nature Electronics、Science Advances、Nano Letters、Microsystems & Nanoengineering、Small、Carbon、ACS AMI等国际重要期刊与会议发表30余篇论文，授权及申请中国发明专利13项。担任科技部重点研发计划指南编制总体专家组成员及项目评审人，国家自然科学基金委、工业与信息化部、科技部、国家GF科工局、中国博士后管理委员会、国家留学基金委等部门的项目评审人。研究方向：微纳机电系统（MEMS/NEMS）、微纳传感器、微纳加工、石墨烯等敏感薄膜。
何昶，北京理工大学前沿交叉科学研究院在读博士研究生。
丁洁，共同通讯作者，北京理工大学集成电路与电子学院副教授，博士毕业于英国格拉斯哥大学，导师为半导体器件建模与仿真领域国际著名学者Asen Asenov院士。研究方向：新型半导体器件的建模与仿真，CMOS器件、闪存器件的随机涨落与可靠性研究，设计与工艺协同优化方法（DTCO），传感器器件的建模仿真与机理。
高强，北京理工大学前沿交叉科学研究院在读硕士研究生。
马鸿梁，北京理工大学前沿交叉科学研究院在读博士研究生。
Max. C. Lemme, 亚琛工业大学电子工程与信息技术学院教授，研究方向：石墨烯、二维材料、微电子学、纳电子学。
张文栋，共同通讯作者，中北大学仪器与电子学院教授、中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室主任、山西欧美同学会长、山西省人大教科文卫工委副主任。曾任中北大学校长、太原理工大学校长、山西省教育厅厅长、山西省政府副秘书长等。1995年在北京理工大学工学获工学博士学位，是2000年全国百篇优博获得者。先后在清华大学做博士后研究，美国加州伯克利、麻省理工大学高级访问学者，巴黎高师访问教授，日本AIST研究员。1997年获国家杰出青年基金，为GF973与国家863技术首席。长期从事动态测试和微米纳米技术研究，先后主持完成GF973、国家863、国家自然科学基金杰出青年基金、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金重大仪器专项等科研项目40余项，已发表学术论文近400篇，出版专著8部，授权国家发明专利76项。获得国家科学技术发明二等奖3项（排名第一2项，第二1项）、三等奖1项、国家科学技术进步二等奖1项、何梁何利基金“科学技术创新奖”、省部级科技进步奖一、二等奖9项、国家教学成果二等奖1项。曾在国内外首创了弹载全弹道动态参数存储测压装置，将“智能导弹黑匣子”用于多种导弹的研制中。研究成果已在兵器/航空、航天、航海等领域46个国家重大和重点工程得到广泛的应用。由于研究成果和工作成绩突出,先后被授予“全国先进工作者”称号、“国家有突出贡献的中青年专家”称号、“全国五一劳动奖”章、“第5届中国青年科技奖”章等奖励，2004年入选为新世纪百千万人才工程国家级人选。研究方向：动态测试技术与智能仪器、微型机电系统（MEMS）等。