CMOS兼容的应变工程在单层半导体晶体管中的应用 学术背景 随着半导体技术的不断发展，二维（2D）材料因其原子级薄层特性在高密度、低功耗电子器件中展现出巨大潜力。特别是过渡金属二硫化物（TMDs），如二硫化钼（MoS₂），因其优异的电学性能，被认为是未来晶体管通道的理想材料。然而，尽管2D材料在实验室中表现出色，如何将其与现有的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术兼容，仍然是一个巨大的挑战。 应变工程（Strain Engineering）在现代硅基电子器件中已经发挥了重要作用。自20世纪90年代引入以来，应变工程通过改变材料的能带结构，显著提高了晶体管的载流子迁移率。然而，如何在2D材料中实现类似的应变效应，尤其是在CMOS兼容的工艺条件下，仍然是一个未解决的问题。本文的研究正是为了解决这...
高声压压电微机械超声换能器的研究进展 学术背景 超声换能器在物体检测、无损检测、生物医学成像和治疗等领域有着广泛的应用。与传统的体超声换能器相比，压电微机械超声换能器（PMUTs）具有体积小、功耗低、带宽宽等优势，适用于消费电子和物联网（IoT）中的测距、手势识别、指纹传感和3D成像等应用。然而，这些小型传感器的输出压力相对较低，限制了其在多种应用中的信号传输能力。例如，目前最先进的基于氮化铝（AlN）的PMUT阵列仅能实现4米的传输距离。为了扩展PMUT在诸如空中触觉反馈、扬声器和声学镊子等应用中的使用，主要挑战在于实现高声压级（SPL）。 PMUT的传输特性主要由机械结构设计和活性压电材料决定，因此寻找新的材料以提升性能成为研究重点。尽管AlN是最常用的压电材料，但其压电系数较低（e31...
基于树根启发的模板限制增材打印技术用于制造高鲁棒性共形电子器件 学术背景 随着智能机器人、智能皮肤和集成传感系统等新兴应用场景的快速发展，共形电子器件在自由曲面上的应用变得至关重要。然而，现有的共形电子器件在机械或热影响下容易发生撕裂、断裂或开裂，限制了其应用可靠性。为了解决这一问题，研究人员从树根系统的力学机制中获得灵感，提出了一种模板限制增材打印（Template-Confined Additive, TCA）技术，用于制造高鲁棒性的共形电子器件。 论文来源 该论文由Guifang Liu、Xiangming Li、Yangfan Qiu等作者共同撰写，作者来自西安交通大学微纳技术研究中心和前沿科学技术研究院。论文于2024年发表在Microsystems & Nanoengineeri...
关于Cr掺杂V₂O₃薄膜压阻效应的研究及其在MEMS传感器中的应用 学术背景 压阻式微机电系统（MEMS）传感器是一类利用材料的压阻效应将应力变化转化为电阻变化的设备，广泛应用于汽车、航空航天、生物医学和研究领域。目前，大多数压阻式传感器使用掺杂硅作为压阻材料，尽管其易于集成且成本低廉，但其压阻效应有限，纵向压阻系数（Gauge Factor, GF）通常低于120。为了提升传感器性能，研究人员一直在探索新的压阻材料。钒氧化物材料因其独特的压阻特性引起了广泛关注，尤其是Cr掺杂的V₂O₃薄膜，其在室温下通过应变控制表现出显著的电阻变化，显示出作为压阻材料的潜力。 论文来源 本论文由Michiel Gidts、Wei-Fan Hsu、Maria Recaman Payo、Shaswat Kus...
革命性的自供电葡萄糖监测机制：基于微生物孢子的微工程纸基平台 学术背景 糖尿病是一种慢性代谢疾病，其特征是血糖水平升高，可能导致心血管疾病、视网膜病变、肾衰竭和神经病变等严重并发症。全球糖尿病患者的数量预计将从2021年的5.29亿增加到2050年的13亿，因此有效的血糖监测变得尤为重要。尽管目前的医疗手段无法治愈糖尿病，但通过血糖监测，患者可以更好地管理病情，预防并发症的发生。 传统的血糖监测设备通常依赖于酶基电化学传感器，这些传感器虽然具有高选择性和便携性，但酶的降解问题限制了其使用寿命和稳定性。近年来，研究人员开始探索非侵入式、连续监测的血糖监测技术，如通过汗液、唾液和泪液等生物体液进行监测。然而，现有的连续血糖监测系统（CGM）通常只能持续几天，并且需要特定的储存条件以维持其性能。 ...
非线性耦合在原子级薄MoS₂纳米机电谐振器中的研究 学术背景 随着纳米技术的快速发展，纳米机电系统（Nanoelectromechanical Systems, NEMS）在传感器、信号处理和量子计算等领域展现出巨大的应用潜力。特别是二维（2D）材料，如二硫化钼（MoS₂），因其原子级厚度、优异的机械性能和电学特性，成为构建NEMS的理想材料。MoS₂等二维材料在纳米尺度下表现出多模态共振和非线性动力学行为，这些特性为研究新型器件物理提供了独特的平台。 在NEMS谐振器中，非线性模态耦合是一个重要的研究课题。当谐振器被驱动到非线性区域时，不同振动模式之间会发生能量交换，导致共振频率的偏移和其他复杂的动力学现象。理解这些非线性耦合机制对于设计高性能的NEMS器件至关重要。然而，现有的研究大多集...
气泡热声模式与光机械传感器的耦合研究 学术背景 气泡在液体中的声学行为一直是物理学和工程学领域的重要研究课题。气泡的振动模式不仅与自然界中的声学现象密切相关，还在微流体、生物传感等领域具有广泛的应用前景。Minnaert呼吸模式是气泡声学中最著名的振动模式，它描述了气泡在液体中的基本振动行为。然而，气泡还支持一系列高阶声学模式，这些模式的理论预测虽然存在，但实验观测却极为罕见。此外，光机械传感器作为一种高灵敏度的探测工具，能够检测微尺度的声学和振动特性，为研究气泡的声学行为提供了新的平台。 本文的研究旨在通过光机械传感器探测气泡的声学模式，特别是高阶声学模式，并探讨气泡与传感器之间的耦合效应。研究不仅有助于深入理解气泡的声学特性，还为优化微机械振荡器的性能提供了新的思路。 论文来源 本文由K...
基于深度强化学习的液体透镜显微镜自动对焦技术研究 学术背景 显微镜成像在科学研究、生物医学研究和工程应用中扮演着至关重要的角色。然而，传统显微镜及其自动对焦技术在实现系统小型化和快速精准对焦方面面临着硬件限制和软件速度缓慢的问题。传统显微镜通常采用多个固定焦距透镜和机械结构来实现放大和对焦功能，导致设备体积庞大、对焦速度慢，难以在狭小空间内快速操作。液体透镜（liquid lens）因其无机械部件、通过电信号调节焦距的特点，具有体积小、响应速度快、制造成本低等优势，成为解决这些问题的潜在方案。 近年来，人工智能和新光学元件的发展为显微镜自动对焦技术带来了新的研究方向。传统的自动对焦方法依赖于图像清晰度评估，通常需要多次图像采集和评估，速度较慢。深度学习技术的引入使得直接从单张图像预测焦平面位...
压电共振传感器在化学和生物传感领域有着广泛的应用。它们通过检测压电谐振器表面因分析物（analyte）沉积而引起的共振频率变化来实现传感。为了检测微小的分析物变化，谐振器需要具有高品质因数（quality factor, Q factor）。传统上，提高品质因数的方法是通过优化谐振器的振动模式、结构和材料。然而，这些方法往往复杂且成本较高。本文提出了一种新的方法，利用Fano共振（Fano resonance）来增强压电传感器的品质因数，而不是通过优化谐振器本身的结构或材料。 Fano共振是一种普遍存在的散射波现象，最初在原子和固体物理中被发现。它发生在离散量子态与连续态之间的干涉中，导致非对称且陡峭的频谱分布。Fano共振的窄线宽特性使其在光子器件中具有广泛的应用潜力。本文通过将外部并联电...
基于光纤的表面增强拉曼光谱传感器用于快速多重检测生禽中的食源性病原体 学术背景 食源性疾病是全球公共卫生的重大挑战，其中沙门氏菌（Salmonella）是导致食源性疾病的主要病原体之一。仅在美国，每年就有135万例感染、26,500例住院和420例死亡病例。尽管有国家层面的改进目标，但美国的沙门氏菌感染率在过去三十年中几乎没有变化。家禽产品，尤其是鸡肉和火鸡产品，是沙门氏菌感染的主要来源，约占沙门氏菌病病例的23.4%。美国疾病控制与预防中心（CDC）估计，每25个在超市出售的鸡肉包装中就有一个被沙门氏菌污染。沙门氏菌每年给美国带来的经济损失高达41亿美元，包括医疗费用、生产力损失和死亡。 目前，沙门氏菌的检测方法主要依赖于聚合酶链式反应（PCR），该方法至少需要24小时（包括富集、样品准备...