基于二维材料的高频纳机电谐振器模型研究
高频纳机电谐振器在高品质因数器件、高灵敏度传感器、单分子检测器和宏观量子效应检测等领域有着广阔的应用前景。由于石墨烯、二硫化钼等二维材料具有纳米级物理尺寸、二维平面物理结构、优秀的机械性能和电性能，二维材料高频纳机电谐振器在器件制备、激励与检测等关键技术上具有独特的优势，是目前纳机电系统(NEMS)研究的热点。二维材料纳机电谐振器模型在优化器件结构、优化器件性能以及指导NEMS系统设计等方面具有重要的指导作用。由于石墨烯、二硫化钼等二维材料具有半导体特性，其纳机电谐振器又被称为谐振沟道晶体管(RCT)。然而与传统高频场效应晶体管不同，由于悬于衬底上方的二维材料不仅作为载流子输运通道，而且同时进行机械振动，所以传统晶体管模型难以表征RCT特有的机械谐振、力电耦合、机械非线性等特性。因此，本文针对二维材料高频纳机电谐振器模型，开展了等效电路建模研究。主要研究内容包括： 1.石墨烯高频纳机电谐振器小信号等效电路模型研究。针对石墨烯高频纳机电谐振器机械振动导致的力电耦合，本文在传统场效应晶体管的小信号等效电路模型拓扑基础上，增加了表征机械谐振特性的跨导(gmm)，建立了纳机电谐振器的高频等效电路模型。进一步地，针对模型谐振点相位描述不准确的问题，在gmm模型中考虑了机械谐振信号与激励信号共同作用引入的相位漂移，提高了模型的相位准确性。最后，针对静电力和石墨烯应力共同作用下的机械谐振频率的迭代计算问题，提出了一种基于栅电极与沟道间电容(Cg)的计算方法，并采用偏置相关的目标优化函数进行了迭代求解。经过不同工艺制作的纳机电谐振器验证，结果表明，建立的小信号模型均方根误差小于4%，且在大偏置电压（-20V~20V）范围内谐振频率误差小于3%。 2.二维材料高频纳机电谐振器非线性模型研究。针对传统半导体的场效应晶体管模型没有考虑力电耦合问题，本文在I-V和非线性电容模型中对机械谐振引起的模型参数变化做了改进，提出了一种沟道谐振下包含力电耦合效应的栅电容Cg模型。进一步地，考虑到纳机电谐振器的悬置沟道应力与环境温度相关，因此本文在应力计算时增加了石墨烯材料的温度参数，使得模型适用温度范围可覆盖125K~300K。由于单层二硫化钼具有石墨烯不具备的禁带宽度特性，本文分别建立了基于石墨烯和单层二硫化钼的高频纳机电谐振器模型。最后，针对器件的机械非线性效应，本文通过将求解非线性振动方程得到的振动位移嵌入到栅电容模型，建立了包含机械非线性效应的二维材料高频纳机电谐振器模型。验证结果表明，模型在多种偏置条件下能较好地预测高频纳机电谐振器的线性散射(S)参数和非线性状态下的基波、二次谐波、三次谐波、三阶交调等响应，以及机械非线性引起的谐振梁“硬化”和“软化”现象，证明了模型的准确性。
纳机电谐振器;二维材料;力电耦合;等效电路模型;非线性效应
电子科技大学
硕士
电磁场与微波技术
徐跃杭
2020
中文
TN601
2020-11-09（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）