《Nature Communications》：High-quality-factor viscoelastic nanomechanical resonators from moiré superlattices
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在二维（2-D）系统中，粘弹性现象一直难以捉摸。研究人员对扭曲双层石墨烯（TBG）纳米机械谐振器展开研究，发现其具有可控的滞后响应，归因于粘弹性，还测得了高达～1900 的机械品质因数 Q。该研究为粘弹性工程提供了新方向1210。
在神奇的微观世界里，材料的各种特性不断被科学家们探索和发现。近年来，范德华层状材料堆叠形成的魔角超晶格成为研究热点，它展现出从超导到莫特绝缘态等多种新奇的关联现象。然而，在二维系统中，粘弹性现象却一直如同神秘的宝藏，难以被挖掘和理解。粘弹性材料兼具粘性液体和弹性固体的特性，这种特性在非晶态聚合物和人体组织中都有体现。但在二维材料领域，它却一直 “深藏不露” ，其对纳米机械谐振器动力学的影响也未被揭示。为了揭开这些神秘的面纱，中国科学院半导体研究所等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们致力于研究扭曲双层石墨烯（TBG）纳米机械谐振器，试图在这个微小的世界里找到粘弹性的踪迹以及它带来的奇妙效应。最终，他们取得了令人瞩目的成果，相关论文发表在《Nature Communications》上。
研究人员开展这项研究主要运用了以下几种关键技术方法：首先是 “撕裂 - 堆叠” 法制备 TBG 鼓面纳米机械谐振器，该方法结合了湿法和干法转移技术；其次，利用光机械技术和光学光谱来测量纳米机电谐振器的振动；最后，通过分子动力学（MD）模拟从理论层面辅助研究131415。
下面来看看具体的研究结果：
- 大型 TBG 鼓面谐振器：研究人员通过 “撕裂 - 堆叠” 法制备了不同尺寸的 TBG 鼓面纳米机械谐振器，设定了约 12° 的适度扭转角，并通过微拉曼光谱测量进行了验证。研究发现，TBG 鼓面的 G 模式和 R 模式对栅极电压Vdc?的敏感度低于单层石墨烯（MLG），这表明 TBG 鼓面处于高拉伸应力状态34。
- 室温下的高 Q 值：在室温下，研究人员测量到 TBG 鼓面谐振器的机械品质因数 Q 高达～1900，远高于室温下石墨烯谐振器的 Q 值。而且，这种高 Q 值出现在远离近零直流偏置的栅极电压下，与石墨烯谐振器形成鲜明对比5。
- 蝶形滞后回线：研究人员在测量纳米机械滞后响应时，发现随着栅极电压的循环变化，谐振频率呈现出蝶形滞后回线。该回线在Vdc?=0V处交叉，且回线形状与扭转角有关，扭转角接近 15° 的 TBG 鼓面更容易出现这种现象67。
- 粘弹性行为：研究人员研究了频率回线形状与栅极电压变化速率dVdc?/dt的关系，发现慢扫描速率能使回线达到最大谐振频率，且滞后回线宽度ΔVdc?随dVdc?/dt的增加而非线性单调增加。通过建立 Kelvin - Voigt 模型（KVM），很好地拟合了实验数据，证明了这种现象源于粘弹性89。
- 粘弹性耗散稀释：研究人员探究了与高频机械振动相关的能量耗散机制，发现粘弹性项ks?对能量耗散有重要影响。提出扩展的 KVM 模型，解释了耗散稀释现象，即粘弹性刚度ks?可降低原子尺度的滑动阻力，增强耗散稀释效果。同时，通过测量不同扭转角的 TBG 鼓面，发现随着∣Vdc?∣的增加，存在从 Q 值增强的纯机械区域到 Q 值降低的常规静电区域的转变1112。
研究结论和讨论部分表明，TBG 中的粘弹性源于两个不相称层之间的滑动。这种粘弹性使得谐振频率回线对栅极电压有强烈依赖，且粘弹性产生的横向时变刚度为机械振动提供了 “无损” 势能，显著降低了固有阻尼率，从而在室温下实现了高达～1900 的 Q 值。此外，研究还发现粘弹性与扭转角有关，较小扭转角的 TBG 倾向于表现出电容软化，而较大扭转角的 TBG 更容易出现蝶形滞后回线，即粘弹性行为。该研究将具有旋转自由度的扭曲二维系统作为超薄膜粘弹性工程的平台，为研究纳米尺度摩擦、新兴的纳米机电和自旋机械耦合提供了新途径。同时，纳米机械谐振器的特性使其能够用于研究相关的相变、原子或晶格动力学以及热力学。随着二维系统中出现具有强磁序和拓扑相的材料，这一研究成果有望为构建新一代动态可滑动微系统和可重构界面开辟新的方向 。
