电子科技大学与上海交通大学联合研发基于二维复合材料的高精度传感器
近年来，二维材料因其原子级厚度、独特的电子结构、高功能化表面、超轻质量以及极高的比表面积，在传感器领域展现出广阔的应用前景。特别是将这些材料应用于纳米机电系统（NEMS）后，实现了对力、质量、位移和惯性等物理量的超高精度检测。多项关键性能指标相较于传统硅基器件提升了多个数量级。这主要归因于二维材料对微小应力变化的高度敏感性，使其成为构建基于频率偏移机制的高性能谐振式传感器的理想选择。
然而，这种对微小应力的极端敏感性也带来了挑战。环境温度的轻微波动会引发二维材料的热膨胀，从而改变其谐振频率，导致输出信号出现显著漂移。这种漂移远大于实际测量信号，严重影响了传感器的温度稳定性和测量精度。
为解决这一核心问题，研究团队巧妙利用了二维材料的“层”自由度及其多样的热膨胀行为。通过人工堆叠异质结结构，团队实现了对不同热膨胀层行为的精确调控，从而有效抑制了热膨胀效应。在器件设计方面，研究人员将该复合材料构建为二维纳米机械谐振器，利用其在温度变化下频率响应的稳定性，使传感器能够准确反映外界压力等被测信号。这种材料与器件的协同设计，从根本上提升了传感器的温度稳定性和测量精度。
基于这一材料体系，研究团队成功开发出一种兼具高灵敏度与优异温度稳定性的NEMS压力传感器。实验数据显示，在200 K至400 K（对应工业级-40℃至85℃、车规级-40℃至125℃）的宽温度范围内，器件的频率波动仅为0.0034%/K，相较于传统单晶二维器件提升了两个数量级以上。在1至250 mbar的压力范围内，该传感器的温度稳定性与压力检测信号误差比提高了约2000倍。这项研究不仅为二维材料的物性调控提供了新思路，也为高精度传感器在复杂环境中的实际应用奠定了坚实基础。
图1：基于范德华异质结NEMS谐振器实现温度稳定性的设计及概念示意图
文章链接：http://doi.org/10.1002/adma.73456
来源：FUTURE远见