导读近日，美国凯斯西储大学的研究人员通过二维材料二硫化钼，设计出一种比人类耳膜小10万亿倍的原子级薄度的设备，在无线电频率范围内接收并发送信号，并具有可调谐性和大动态范围的优点。

背景

作为一种典型的二维材料，石墨烯已广泛应用于各个领域，受到科学界和产业界的追捧。那么，到底什么是二维材料呢？简单说，二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度（1-100nm）上自由运动（平面运动）的材料，例如：石墨烯、氮化硼、过渡族金属化合物（二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨）、黑磷等。

二维材料的应用领域非常广阔，结合笔者之前的介绍，举例如下：自旋电子、印刷电子、柔性电子、微电子、存储器、处理器、超透镜、太赫兹、超级电容、太阳能电池、防伪标签、量子点、传感器、半导体制造、NFC、医疗等。

除了石墨烯外，二硫化钼（MoS2）作为一种典型的二维材料，也非常值得我们关注。二硫化钼，由钼原子和硫原子组成，只有三个原子的厚度。与石墨烯的薄度近乎相同，但二硫化钼却拥有1.8eV的能带隙，而石墨烯却不具有能带隙。对此，笔者曾介绍过美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的科研团队曾准确地测量出半导体二维材料二硫化钼（MoS2）的能带隙，同时也揭示出一种强大的调谐机制，以及二维材料电子与光学特性之间的关系。

（图片来源：Marilyn Chung/Berkeley Lab）

此外，就电子迁移率（电子在平面薄片中的移动速度）而言，二硫化钼的电子迁移速率大约是100cm2/vs（即每平方厘米每伏秒通过100个电子），虽然远低于晶体硅的电子迁移速率1400 cm2/vs ，但是比非晶硅和其他超薄半导体的迁移速度更好。

二硫化钼因为具有半导体特性好、尺寸小、超薄、柔软等优点，所以特别适合应用于晶体管、柔性电子、LED、激光、太阳能电池领域。下面举两个例子回顾一下相关应用：

1）美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)科学家 Ali Javey 带领的研究团队，采用碳纳米管和二硫化钼设计出了1纳米的晶体管。

(图片来源: Sujay Desai / 加州大学伯克利分校)

2）奥地利维也纳技术大学和欧盟石墨烯旗舰项目的科研人员研发出MoS2 制成的柔性微处理器，它有望广泛应用于可穿戴、智能硬件、物联网等领域。

（图片来源: Hermann Detz/维也纳技术大学 )

创新

今天，笔者要介绍二维材料二硫化钼(MoS2)又一项新应用。最近，美国凯斯西储大学（Case Western Reserve University ）正在开发原子级薄度的“鼓膜”。在比我们人耳能听到的声音频率范围更高的无线电频率范围内，它可以接收并发送信号。然而，相比人的耳膜，这种鼓膜的体积要小10万亿倍，厚度要小10万倍。

（图片来源: 凯斯西储大学)

该校电气工程与计算机科学系副教授、3月30日发表于《科学进展（Science Advances）》上的相关论文的通信作者 Philip Feng 表示：“感知和通信对于相互连接的世界来说非常关键。近几十年来，我们已经通过高度小型化的设备和系统进行互联，并一直在追求不断缩小这些设备的尺寸。”

论文的合著者包括：Jaesung Lee（凯斯西储大学博士后副研究员）、 Max Zenghui Wang（前副研究员，现在在中国成都电子科技大学（UESTC））、Keliang He （凯斯西储大学物理系前研究生、现在是Nvidia 的高级工程师）、Rui Yang（凯斯西储大学前研究生、斯坦福大学博士后访问学者）、 Jie Shan（凯斯西储大学前物理系教授，现在在康奈尔大学）。

技术

小型化的挑战：也要实现对于微小信号（例如：声音、振动、无线电波）的更广动态范围的检测。

Feng 表示：“最终，我们需要变送器（transducers ）来处理这些信号，而不会在‘信号最大值’（最高级别的未失真信号）和‘基底噪声’（最低级别的可检测信号）上丢失或损坏信息。”

研究人员称，这项研究并不是为了目前市场上的特定设备而开展的，它主要是为了测量、界限和定标。从根本上说，它对于所有的变送器研究来说都很重要。

下一个十年，这些变送器也许将被开发。但现在，Feng 及其团队已经展示了它们最小尺寸关键元件：原子层鼓膜或谐振器。

据报道，这项研究代表了这种类型的振动变送器的最高动态范围。迄今为止，这个范围只有通过工作在更低频率的更大型的变送器，例如人耳鼓膜，才能达到。

Feng 表示：“我们在这里所做的，就是展示一些最终小型化、原子级薄度的机电鼓膜谐振器可以在高达超过120MHz 的无线电频率（RF）下，提供非常广的动态范围（高达约110dB）。这些无线电频率的动态范围可以与处于音频频带的人耳听力相比。 ”

Feng 表示，从动物中自然产生的感知功能到人工设计的复杂设备，所有这些系统的关键就是有一个让人满意的动态范围。动态范围是信号最大值与基底噪音之间的比值，通常以分贝（dB）表示。

人耳鼓膜通常的动态范围是（60dB ~ 100dB ），频率范围是（10Hz ~ 10kHz），而我们的听力在这个频率范围之外下降得很快。其他动物，例如普通家猫或者白鲸（如图所示），在更高频段下的动态范围差不多或者甚至更宽。

（图片来源: 凯斯西储大学)

Feng 及其团队开发的振动纳米鼓膜，由半导体晶体的原子层组成（单层、双层、三层、四层MoS2薄片，厚度分别是0.7纳米、1.4纳米、2.1纳米、2.8 纳米），直径只有1微米。

他们从大块的半导体晶体上，片状剥落单独的原子层，并将纳米制造技术与显微操作技术相结合，让原子层悬挂在硅晶圆上预先定义的微腔上方，然后与设备进行电气连接。

Feng 表示，更进一步说，在凯斯西储大学展开测试的这些原子级薄度的RF谐振器，具有优秀的频率“可调谐性”，也就是意味着利用静电力拉伸鼓膜，可以操控它们的“音调”，类似于对管弦乐队中大型音乐器材进行调音。

这项研究也揭示出，这些令人难以置信的小型鼓膜，只需要皮瓦（pW, 10^-12 瓦）到纳瓦（nW, 10^-9 瓦）的RF功率水平，就可以维持高频振荡。

价值

未来，这项技术进展有望为打造体积更小、检测和调谐范围更大的新一代超低功耗通信和感知设备作出贡献。

Feng 表示：“它们不仅通过这么微小的体积和质量达到了惊人的动态范围，并且也是非常高效且‘安静’的设备。我们非常仔细地‘聆听’它们，并且非常轻声地与之‘交谈’。”

关键字半导体、二维材料、感知设备

参考资料

【1】http://thedaily.case.edu/cat-like-hearing-device-trillions-times-smaller-human-eardrum/

【2】Jaesung Lee, Zenghui Wang, Keliang He, Rui Yang,†, Jie Shan, and Philip X.-L. Feng. Electrically tunable single- and few-layer MoS2 nanoelectromechanical systems with broad dynamic range. Science Advances, 30 Mar 2018 DOI: 10.1126/sciadv.aao6653