Fabrication and Nanomechanical Resonance Properties of Suspended Graphene Resonators

Abstract

본 논문에서는 드럼 구조에서 다공성 그래핀 공진기의 나노 전기역학 시스템을 연구합니다. 그래핀은 높은 영률값 (~1 TPa) 및 원자 두께를 갖는 높은 변형률과 우수한 기계적 특성으로 인해 높은 공진주파수를 가진 구동이 좋은 공진기에 응용될 수 있습니다. 그러나 그래핀은 상온에서 낮은 Q인자를 가진다는 연구결과가 있습니다. 그래서 우리 실험에서는 낮은 Q인자를 갖는 문제점을 극복하기 위해 공진기 재료인 그래핀에 구멍을 뚫어 다공성 그래핀 공진기를 제작하게 되었습니다. 다공성 그래핀 공진기는 구멍이 뚫린 한 겹의 그래핀을 구멍이 있는 Si/SiO2기판에 옮겨 제작되었습니다. 본 연구 결과는 그래핀의 구멍의 수가 증가함에 따라 공진기의 Q인자가 증가하다 감소하는 경향을 가집니다. 공진기의 기하학적 구조가 Q값에 영향을 주는 것을 알 수 있었습니다. Q인자를 적절한 수준으로 제어하기 위해서는 여러 단계의 공정을 통해 발생하는 기하적 형상의 변동을 최소화할 수 있는 공진기의 설계가 필요할 것입니다. 또한, 다양한 홀 패턴을 갖는 그래핀을 재료로 하는 공진기의 공진특성을 유한 요소 모델링을 이용한 시뮬레이션을 통해 분석하였습니다. 일반적인(구멍이 뚫리지 않은) 한 겹의 그래핀 공진기에서 댐핑 인자가 증가할수록 Q값이 감소함을 확인하였습니다. 그리고 그래핀 공진기의 구멍의 수, 크기 및 위치를 변화시킴으로써 높은 공진주파수를 가지는 그래핀의 기하구조를 발견하였습니다. 이를 바탕으로 구멍이 뚫린 그래핀의 실제 전기역학 소자로의 구현 가능성에 대해 알아보았습니다.;We study the nanoelectromechanical dynamics of porous graphene resonators in the drum structure. Graphene can be used for high frequency mechanical and tunable resonators owing to its superior mechanical properties, such as high Young’s Modulus (~1 TPa) and high yield strain with atomic thickness. However, the graphene resonator tends to have low quality factor at room temperature. It is one of the main problems that needs to be overcome for applications to be realized. In this thesis, we made drum structures with holes to reduce damping effect. The porous graphene resonator devices are experimentally fabricated by transferring a porous graphene membrane on to Si/SiO2 substrate with a hole. Our results suggest that the Q factor of the graphene drum increases and then drops as the number of pores of the graphene increases from 1 to 16. In addition, the resonance behavior of graphene drums with various hole-patterns has been studied by using finite element modeling simulation. The geometry and number of hole structures on graphene were patterned according to the simulation modeling. The tendency of quality factors and resonance frequency of graphene resonators and resonance frequencies were analyzed by changing geometry of resonator such as the number, size, and position of pores in graphene resonators.