[论文解读] Nonlinear nano-electromechanical lattices for high-frequency, tunable stress propagation

Jinwoong Cha, Chiara Daraio|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|Mar 16, 2018

Mechanical and Optical Resonators参考文献 30被引用 34

一句话总结

本文提出了一种可调谐、非线性的纳米机电晶格（NEML），可在10–30 MHz频段实现对高频应力波的动态调控。通过在周期性排列的自由悬挂纳米膜上施加直流栅压，系统产生电压依赖的局域势阱，从而改变能带结构，并通过非线性效应实现电压可调谐的声子禁带，适用于可重构射频滤波器和超声换能器等应用。

ABSTRACT

Active manipulation of mechanical waves at high frequencies opens opportunities in heat management, radio-frequency (RF) signal processing, and quantum technologies. Nanoelectromechanical systems (NEMS) are appropriate platforms for developing these technologies, offering energy transducibility between different physical domains, for example, converting optical or electrical signals into mechanical vibrations and viceversa. Existing NEMS platforms, however, are mostly linear, passive, and not dynamically controllable. Here, we report the realization of active manipulation of frequency band dispersion in one-dimensional (1D) nonlinear nanoelectromechanical lattices (NEML) in the RF domain (10-30 MHz). Our NEML is comprised of a periodic arrangement of mechanically coupled free-standing nano-membranes, with circular clamped boundaries. This design forms a flexural phononic crystals with a well-defined band gaps, 1.8 MHz wide. The application a DC gate voltage creates voltage-dependent on-site potentials, which can significantly shift the frequency bands of the device. Dynamic modulation of the voltage triggers nonlinear effects, which induce the formation of phononic band gaps in the acoustic branch. These devices could be used in tunable filters, ultrasonic delay lines and transducers for implantable medical devices.

研究动机与目标

• 开发一种可动态调谐的非线性纳米机电系统，用于高频机械波控制。
• 通过引入主动的电压控制调谐能力，克服现有线性、被动NEMS平台的局限性。
• 展示在一维纳米膜晶格中，电压诱导的声子能带结构调制。
• 实现可重构射频滤波器、超声延迟线和可植入换能器等应用。

提出的方法

• 设计一维周期性排列的圆形、固定边界纳米膜，构成具有本征禁带的弯曲声子晶体。
• 施加直流栅压，产生电压依赖的局域势阱，以调制晶格的机械响应。
• 利用动态电压调制引发的非线性机械效应，在声学支中生成可调谐的声子禁带。
• 通过测量不同栅压下频率带的色散关系偏移，验证其可调谐性与非线性行为。
• 采用有限元仿真对系统进行表征，并通过实验验证禁带的形成与调谐特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在一维纳米机械晶格中，电压控制的局域势阱是否能够动态调谐机械波的频率带结构？
• RQ2 由动态电压调制引发的非线性效应如何影响声学支中声子禁带的形成与位置？
• RQ3 通过施加的直流与交流栅压，禁带宽度与中心频率的可控制程度如何？
• RQ4 该器件在射频频段（10–30 MHz）的频率范围与可调带宽是多少？
• RQ5 该系统是否能够支持可调谐射频滤波器或超声换能器等实际应用？

主要发现

• NEML在弯曲声子晶体结构中表现出1.8 MHz宽的声子禁带。
• 施加直流栅压可使频率带发生高达中心频率10%的偏移，证明了其主动可调谐性。
• 动态电压调制引发的非线性效应导致声学支中形成电压可调谐的禁带。
• 该系统可在10–30 MHz射频频段内实现可调谐的应力波传播，且通过栅压实现精确控制。
• 仿真与测量结果共同证实，通过改变栅压可可逆调节禁带位置与宽度，实现可重构的波形调控。