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合作，在基于悬浮石墨烯异质层薄膜的硅基纳机电（NEMS）气压传感器的建模与仿真方面取得了重要进展。相关研究成果以“Modeling and Simulation of 2D Transducers Based on Suspended Graphene-Based Heterostructures in Nanoelectromechanical Pressure Sensors”为题发表在国际知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》（IF：8.3）期刊上，论文的第一作者为北京理工大学硕士研究生刘权，通讯作者为北京理工大学范绪阁教授、北京理工大学的丁洁副教授及中北大学张文栋教授。

研究课题组利用COMSOL Multiphysics有限元软件构建了基于石墨烯以及石墨烯/氮化硼（h-BN）、石墨烯/二硫化钼（MoS2）和石墨烯/二硒化钼（MoSe2）的悬浮异质层薄薄膜结构的NEMS气压传感器模型。研究发现，与矩形和方形膜相比，悬浮的圆形二维膜对压力变化的灵敏度最高。通过模拟不同形状、尺寸、内置张力和原子层数的悬浮石墨烯基异质层薄膜结构在不同压力条件下的形变、应变、谐振频率和杨氏模量，研究团队模拟出石墨烯、石墨烯/h-BN、石墨烯/MoS2和石墨烯/MoSe2二维异质结构的杨氏模量分别为1.001 TPa、921.08 GPa、551.11 GPa和475.68 GPa。此外，该项研究还讨论了高度不对称空腔对石墨烯器件性能的影响。这些结果有助于理解基于石墨烯的二维异质层薄膜的机械特性，为设计和制造小型化高性能的NEMS气压传感器提供了借鉴。

图1 基于石墨烯二维异质层薄膜的纳电子机械系统（NEMS）气压传感器的原理图 

图2 不同条件下石墨烯及其二维异质层薄膜的最大挠度变化

图3 单层石墨烯及其与单层h-BN、MoS2和MoSe2构成的二维异质层薄膜在不同条件下的谐振频率和杨氏模量

论文详情：Quan Liu, Chang He, Jie Ding, Wendong Zhang, Xuge Fan, Modeling and Simulation of 2D Transducers Based on Suspended Graphene-Based Heterostructures in Nanoelectromechanical Pressure Sensors, ACS Applied Materials & Interfaces, 2024. DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.4c11941

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.4c11941

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。

在基于石墨烯及石墨烯衍生物的MEMS/NEMS压力传感器研究方面，范绪阁教授课题组先前已经开展了部分实验研究工作，目前正在审稿中。近期，范绪阁教授课题组综述了基于石墨烯的气压/压力传感器的最新研究进展，发表在IEEE Sensors Journal, 24, 16, 25227- 25248, 2024; 具体发表链接如下：

https://doi.org/10.1109/JSEN.2024.3419243

附作者简介：

刘权，第一作者，北京理工大学前沿交叉科学研究院在读硕士研究生。

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。

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。

范绪阁，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。