专利摘要
本发明提供了基于金属硫属元素化物纳米管的机电谐振器。本发明还提供了制造机电谐振器的方法和这种机电谐振器的使用方法。
权利要求
1.一种机电谐振器，所述机电谐振器包括至少一个金属-硫属元素化物纳米管，所述谐振器还包括基板、第一焊盘、第二焊盘、电触点和与所述纳米管接触的踏板，所述踏板相对于所述纳米管不对称地定位，其中：
所述第一焊盘和所述第二焊盘各自与基板接触，第一焊盘和第二焊盘不互相接触，所述纳米管的第一区域与第一焊盘接触并且纳米管的第二区域与第二焊盘接触，所述电触点中的至少一个与第一焊盘连接并且所述电触点中的至少一个与第二焊盘连接，踏板附着于所述纳米管，并且踏板和纳米管悬置在基板上方，踏板相对于纳米管的较长维度不对称地定位为使得在纳米管一侧的踏板部分小于或大于在纳米管另一侧的踏板部分。
2.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述谐振器是微机电谐振器、纳机电谐振器或其组合。
3.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述金属硫属元素化物纳米管包含WS
4.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述纳米管被另一种物质掺杂。
5.根据权利要求4所述的谐振器，其中所述纳米管被金属掺杂。
6.根据权利要求5所述的谐振器，其中所述金属是Nb或Re。
7.根据权利要求4所述的谐振器，其中所述金属硫属元素化物纳米管包括Mo
8.根据权利要求7所述的谐振器，其中0.0001<x<1.9999且0.0001<y<1.9999。
9.根据权利要求7所述的谐振器，其中0.0001<x<0.9999。
10.根据权利要求9所述的谐振器，其中0.0001<x<0.9999且0.0001<y<0.9999。
11.根据权利要求4所述的谐振器，其中所述物质包括氢、氧、氟或钠。
12.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述纳米管的直径范围在1nm和1000nm之间。
13.根据权利要求12所述的谐振器，其中所述纳米管的直径范围在1nm和100nm之间。
14.根据权利要求12所述的谐振器，其中所述纳米管的直径范围在1nm和10nm之间或10nm和50nm之间或50nm和250m之间或250nm和500nm之间或500nm和1μm之间。
15.根据权利要求1所述的谐振器，其中对于单一纳米管，所述纳米管是单壁或多壁纳米管，并且其中对于多于一种纳米管，所述纳米管是单壁的、多壁的或其组合。
16.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述纳米管是至少部分中空的。
17.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述纳米管不是中空的。
18.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述基板是有涂层的。
19.根据权利要求18所述的谐振器，其中所述基板包含Si并且所述涂层包含SiO
20.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述踏板具有长方形形状并且附着于所述纳米管，使得所述长方形的较长维度垂直于所述纳米管的较长维度定位。
21.根据权利要求1所述的谐振器，还与电子元件或电子仪器连接。
22.根据权利要求21所述的谐振器，其中所述仪器包括网络分析仪、示波器、锁定放大器、频谱分析仪、电源、AC发电机、DC发电机、信号发生器或其组合。
23.根据权利要求22所述的谐振器，其中，所述信号发生器包括RF信号发生器、脉冲发生器、函数发生器、波形发生器、数字模式发生器、频率发生器或其组合。
24.根据权利要求22所述的谐振器，其中所述焊盘和所述基板独立地通过所述电触点与所述仪器连接，并且其中所述仪器通过所述电触点在所述焊盘之间和所述基板之间施加电压。
25.根据权利要求24所述的谐振器，其中所述电压在所述纳米管中产生机械响应。
26.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述谐振器的Q因数范围在1和100之间。
27.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述谐振器的Q因数范围在100和1000之间。
28.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述谐振器的Q因数范围在1000和1000000之间。
29.根据权利要求1所述的谐振器，还包括在所述基板上制造的电极。
30.根据权利要求29所述的谐振器，其中所述电极通过电触点与电子仪器连接。
31.一种陀螺仪、加速度计、质量传感器、磁力计或移动镜，包括根据权利要求1所述的谐振器。
32.一种制造机电谐振器的方法，所述方法包括：
·提供基板；
·将至少第一焊盘和第二焊盘施加到所述基板上，使得所述焊盘不互相接触；
·将至少一个金属-硫属元素化物纳米管施加到所述焊盘上，使得所述纳米管的第一区域与所述第一焊盘接触并且所述纳米管的第二区域与所述第二焊盘接触；
·去除所述纳米管下面的基板表面层，从而使所述纳米管悬置在所述基板上方；
所述方法还包括在去除基板表面层的所述步骤之前在所述纳米管的顶部上施加踏板，使得所述踏板与所述纳米管接触，并且其中，所述踏板相对于所述纳米管不对称地定位，并且其中：
在去除基板表面层的所述步骤之后，踏板悬置在基板上方，并且其中踏板相对于纳米管的较长维度不对称地定位为使得在纳米管一侧的踏板部分小于或大于在纳米管另一侧的踏板部分。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述基板包含被SiO
34.根据权利要求32所述的方法，其中所述焊盘包含被金层涂覆的铬层。
35.根据权利要求32所述的方法，其中施加所述焊盘的步骤包括光刻和金属沉积。
36.根据权利要求32所述的方法，其中施加至少一个金属-硫属元素化物纳米管的步骤包括干法分散所述纳米管。
37.根据权利要求32所述的方法，其中去除所述纳米管下面的基板表面层的步骤包括使用氢氟酸(HF)蚀刻所述基板层。
38.根据权利要求37所述的方法，其中在所述蚀刻之后进行临界点干燥(CPD)。
39.根据权利要求32所述的方法，其中所述踏板具有长方形形状并且附着于所述纳米管，使得所述长方形的较长维度垂直于所述纳米管的较长维度定位。
40.根据权利要求32所述的方法，还包括在所述基板上制造电极。
41.一种操作机电谐振器的方法，所述方法包括：
ο提供谐振器，所述谐振器包括：
·至少一个金属硫属元素化物纳米管；
·基板；
·可选的在所述基板上制造的电极；
·在所述基板上组装的至少第一焊盘和第二焊盘；
·与所述第一焊盘和所述第二焊盘连接、可选地与所述基板和/或可选地与所述电极连接的电触点；
其中所述金属-硫属元素化物纳米管的第一区域与所述第一焊盘接触并且所述纳米管的第二区域与所述第二焊盘接触，并且其中所述纳米管的第三区域悬置在所述基板上方；
ο在所述焊盘和所述基板之间或所述焊盘和所述电极之间施加电压，使得所述电压产生所述金属硫属元素化物纳米管的机械响应；
其中，所述谐振器还包括踏板，所述踏板与所述悬置的纳米管接触，使得所述踏板悬置在所述基板上方，所述踏板相对于所述纳米管不对称地定位，其中：
第一焊盘和第二焊盘不互相接触，踏板相对于纳米管的较长维度不对称地定位为使得在纳米管一侧的踏板部分小于或大于在纳米管另一侧的踏板部分。
42.根据权利要求41所述的方法，其中所述基板是有涂层的。
43.根据权利要求42所述的方法，其中所述有涂层的基板包含硅并且所述涂层包含氧化硅。
44.根据权利要求41所述的方法，其中所述机械响应包括扭转、面内旋转、面内弯曲、异相弯曲或其组合。
45.根据权利要求41所述的方法，其中所述机电谐振器用作导航小型化无人驾驶飞行器(UAV)的陀螺仪、或用作材料传感器。
46.根据权利要求45所述的方法，其中，所述材料传感器包括化学传感器或生物传感器。
47.根据权利要求41所述的方法，其中所述踏板具有长方形形状并且附着于所述纳米管，使得所述长方形的较长维度垂直于所述纳米管的较长维度定位。
48.根据权利要求41所述的方法，其中所述施加电压包括施加AC电压、或AC电压和DC电压的组合。
49.根据权利要求48所述的方法，其中所述AC电压的频率在RF范围内。
50.根据权利要求41所述的方法，还包括检测所述机械响应。
51.根据权利要求50所述的方法，其中光学检测所述响应。
52.根据权利要求50所述的方法，其中电检测所述响应。
53.根据权利要求52所述的方法，其中所述电检测包括电导率测量。
54.根据权利要求52所述的方法，其中所述电检测包括电容测量。
说明书
技术领域
本发明涉及基于金属-硫属元素化物纳米管的机电谐振器。
背景技术
1992年首次报道的无机纳米管(INT)作为卷制型式的非碳2D材料和作为纳米技术的潜在结构单元(building block)，越来越引起兴趣。长期以来，碳纳米管(CNT)由于它们出色的机械和电特性，以及它们独特的机电耦合，一直被认为是纳米机电系统(NEMS)的有吸引力的结构单元。特别地，扭转机电系统可以用作导航超小型无人驾驶飞行器(UAV)，以及用于各种化学和生物传感器的陀螺仪的基础。关于基于CNT的扭转装置已经做了大量工作：制造单壁CNT(SWCNT)和多壁CNT(MWCNT)、表征单壁CNT(SWCNT)和多壁CNT(MWCNT)的扭转和机电性质，以及建造MWCNT和SWCNT扭转谐振器。决定谐振NEMS灵敏度的最关键因素之一是它们的品质因数-无量纲参数，其与每个周期的储存和消散能量之间的比率相对应。即，品质因数越高，在一个振荡周期期间消散的能量越少。内摩擦、层间耦合、晶体学结构和化学组成可以在决定纳米管的扭转行为、特别是它们的品质因数(Q)中发挥关键作用。
发明内容
本发明首次提出了金属硫属元素化物纳米管的谐振机电行为。提出了金属硫属元素化物纳米管、特别是二硫化钨(WS2)的谐振扭转行为，并与碳纳米管的谐振扭转行为比较。例如，发现WS2纳米管拥有在纳米管中见到过的最高品质因数(Q)和扭转谐振频率。发现各种纳米管的动态和静态扭转弹簧常数是不同的，特别是在WS2的情况下，这可能是由于速度依赖性的壳间摩擦所致。结果表明，金属-硫属元素化物纳米管是高Q机电谐振器系统的有前景的结构单元。
在一个实施方式中，本发明提供了一种包含至少一个金属-硫属元素化物纳米管的机电谐振器。
在一个实施方式中，谐振器是微机电装置、纳机电装置或其组合。
在一个实施方式中，金属硫属元素化物纳米管包含WS2、MoS2、WSe2、MoSe2。在一个实施方式中，金属硫属元素化物纳米由WS2、MoS2、WSe2、MoSe2组成。在一个实施方式中，金属硫属元素化物纳米管包含Mo1-xNbxS2、Mo1-xNbxSe2、W1-xTaxS2、W1-xTaxSe2、MoxWyNb1-x-yS2、MoxWyNb1-x-ySe2、Re1-xWxS2、Ti1-xScxS2、Zr1-xYxS2、Hf1-xLaxS2、Ta1-xHfxS2、Pt1-xIrxS2、Ru1-xMnxS2、Rh1-xRuxS2、Mo1-xRexS2、W1-xRexS2、Re1-xOsxS2、Ti1-xVxS2、Zr1-xNbxS2、Hf1-xTaxS2、Ta1-xWxS2、Pt1-xAuxS2、Ru1-xRhxS2、Rh1-xPdxS2、WS2-xSeX、Mo1-xWxS2-ySey、WS2-x-ySexTey，其中0.0001<x<0.5且0.0001<y<0.5或其中0.0001<x<0.9999且0.0001<y<0.9999，或其中0.0001<x<0.5或其中0.0001<x<0.9999或其中0.0001<x<1.9999或其中0.0001<x<1.9999且0.0001<y<1.9999。
在一个实施方式中，纳米管被另一种物质掺杂。在一个实施方式中，纳米管被金属掺杂。在一个实施方式中，金属是Nb或Re。在一个实施方式中，物质包括氢、氧、氟或钠。在一个实施方式中，机电谐振器选自由下列组成的组：陀螺仪、加速度计、质量传感器、材料传感器、磁力计、或移动镜(moving mirror)。在一个实施方式中，本发明提供了包含本发明的机电谐振器的陀螺仪、加速度计、质量传感器、材料传感器、磁力计或移动镜。在一个实施方式中，本发明的机电谐振器是选自由陀螺仪、加速度计、质量传感器、材料传感器、磁力计或移动镜组成的组中的设备中的部件。
在一个实施方式中，所述纳米管的直径范围在1nm和1000nm之间。在一个实施方式中，所述纳米管的直径范围在1nm和100nm之间。在一个实施方式中，所述纳米管的直径范围在1nm和10nm之间或10nm和50nm之间或50nm和250m之间或250nm和500nm之间或500nm和1μm之间。
在一个实施方式中，对于单一纳米管，所述纳米管是单壁或多壁纳米管。在一个实施方式中，对于多于一种纳米管，纳米管是单壁的、多壁的或其组合。
在一个实施方式中，纳米管是至少部分中空的。在一个实施方式中，纳米管不是中空的。在一个实施方式中，所述纳米管的至少一部分悬置在表面上方(在一个实施方式中为基板的表面)。
在一个实施方式中，本发明的谐振器还包括：
●基板；
●至少第一焊盘和第二焊盘；
●电触点。
在一个实施方式中，所述纳米管的第一区域与第一焊盘接触，而纳米管的第二区域与第二焊盘接触。
在一个实施方式中，第一焊盘和第二焊盘各自与基板接触。在一个实施方式中，基板是有涂层的。在一个实施方式中，基板包含Si并且涂层包含SiO2。
在一个实施方式中，谐振器还包含踏板(pedal)。在一个实施方式中，踏板与纳米管接触。在一个实施方式中，踏板具有长方形形状并且附着于所述纳米管，使得所述长方形的较长维度垂直于所述纳米管的较长维度定位。在一个实施方式中，长方形踏板相对于所述纳米管不对称地定位。
在一个实施方式中，纳米管悬置在基板上方。在一个实施方式中，踏板悬置在基板上方。在一个实施方式中，谐振器与电子元件/电子仪器连接。
在一个实施方式中，仪器包括网络分析仪、示波器、锁定放大器、频谱分析仪、RF信号发生器、电源、AC发电机、DC发电机、信号发生器、脉冲发生器、函数发生器、波形发生器、数字模式发生器、频率发生器或其组合。
在一个实施方式中，焊盘和基板独立地通过所述电触点与所述仪器中的任一种或多种连接，并且所述仪器通过电触点在焊盘之间和基板之间施加电压。
在一个实施方式中，焊盘和基板独立地通过电触点与网络分析仪(或上文提供的名单中的任何其它仪器)连接，并且网络分析仪(或任何其它电子仪器)通过电触点在焊盘之间和基板之间施加电压。在一个实施方式中，在基板上构造电极，电极通过电触点与网络分析仪或与任何其它电子仪器连接。根据该方面并且在一个实施方式中，通过电触点在焊盘之间和电极之间施加电压。
在一个实施方式中，施加的电压在纳米管中产生机械响应。在一个实施方式中，谐振器的Q因数范围在1和1000000之间。在一个实施方式中，谐振器的Q因数范围在1和100之间。在一个实施方式中，谐振器的Q因数范围在100和1000之间。在一个实施方式中，谐振器的Q因数范围在1000和1000000之间。在一个实施方式中，谐振器的Q因数范围在1和5之间。
在一个实施方式中，谐振器还包括在基板上制造的电极。在一个实施方式中，电极通过电触点与电子仪器连接。
在一个实施方式中，本发明提供了一种制造机电装置的方法，方法包括：
●提供基板；
●将至少第一焊盘和第二焊盘施加到基板上，使得焊盘不互相接触；
●将至少一个金属-硫属元素化物纳米管施加到焊盘上，使得纳米管的第一区域与第一焊盘接触并且纳米管的第二区域与第二焊盘接触；
●去除纳米管下面的基板表面层，从而使纳米管悬置在基板上方。
在一个实施方式中，基板包含被SiO2涂覆的Si。在一个实施方式中，焊盘包含被金层涂覆的铬层。
在一个实施方式中，施加焊盘的步骤包括光刻和金属沉积。在一个实施方式中，施加至少一个金属-硫属元素化物纳米管的步骤包括干法分散纳米管。在一个实施方式中，去除纳米管下面的基板表面层的步骤包括使用氢氟酸(HF)蚀刻基板层。在一个实施方式中，蚀刻之后进行临界点干燥(CPD)。施加焊盘和纳米管的其它方法以及蚀刻表面层的其它方法是本领域中已知的并且包括在本发明中。
在一个实施方式中，方法还包括在所述去除基板表面层的步骤之前在所述纳米管的顶部上施加踏板，使得所述踏板与所述纳米管接触。在一个实施方式中，踏板具有长方形形状并且附着于所述纳米管，使得所述长方形的较长维度垂直于所述纳米管的较长维度定位。在一个实施方式中，长方形踏板相对于所述纳米管不对称地定位。在一个实施方式中，在所述去除基板表面层的步骤之后，踏板悬置在所述基板上方。
在一个实施方式中，方法还包括在基板上制造电极。
在一个实施方式中，本发明提供了一种操作电化学谐振器的方法，方法包括：
○提供谐振器，所述谐振器包括：
●至少一个金属硫属元素化物纳米管；
●基板；
●可选的在基板上制造的电极；
●在基板上组装的至少第一焊盘和第二焊盘；
●与第一焊盘和第二焊盘连接、可选地与基板和/或可选地与电极连接的电触点；
其中所述金属-硫属元素化物纳米管的第一区域与第一焊盘接触并且纳米管的第二区域与第二焊盘接触，并且其中纳米管的第三区域悬置在基板上方；
o在焊盘和基板之间或焊盘和电极之间施加电压，使得电压产生金属硫属元素化物纳米管的机械响应。
在一个实施方式中，基板是有涂层的。在一个实施方式中，有涂层的基板包含硅并且涂层包含氧化硅。
在一个实施方式中，机械响应包括扭转、面内旋转、面内弯曲、异相弯曲或其组合。
在一个实施方式中，机电装置/谐振器用作导航小型化无人驾驶飞行器(UAV)的陀螺仪、用作材料传感器例如化学传感器或生物传感器。在一个实施方式中，装置还包括踏板，所述踏板与悬置的纳米管接触，使得踏板悬置在基板上方。
在一个实施方式中，踏板具有长方形形状并且附着于纳米管，使得长方形的较长维度垂直于纳米管的较长维度定位。在一个实施方式中，长方形焊盘相对于纳米管不对称地定位。在一个实施方式中，施加电压包括施加AC电压、或AC电压和DC电压的组合。在一个实施方式中，AC电压的频率在RF范围内。
在一个实施方式中，装置的操作方法还包括检测纳米管的机械响应。在一个实施方式中，光学检测响应。在一个实施方式中，电检测响应。在一个实施方式中，电检测包括电导率测量。在一个实施方式中，电检测包括电容测量。
附图说明
被视为本发明的主题在说明书的所附权利要求部分中特别指出和明确要求保护。然而，本发明，关于构造和操作方法两方面，以及其目的、特征和优点，可通过参考结合附图阅读时的以下详细描述来最佳理解，在附图中：
图1示出了基于纳米管的扭转谐振器的谐振频谱测量的设置(示意性设置)。(a)多壁CNT、BNNT和WS2NT的示意性结构；(b)扫描电子显微镜(SEM)图像；和(c)基于纳米管的扭转谐振器的原子力显微镜(AFM)图像。(d)扭转谐振器通过在基板和偏置踏板之间施加DC和AC电压来致动，偏置踏板附着于纳米管。振幅由激光多普勒振动计(LDV)检测并输出到网络分析仪。
图2示出了不同的基于纳米管的扭转谐振器的代表性谐振频谱：(a)CNT(装置#2)；(b)BNNT(装置#5)；和(c)WS2NT(装置#1)。插图示出了在更高分辨率下测量的各种谐振峰与等式1的拟合。在(b)中，在5.84MHz处有一个清晰的峰，并且不管LDV激光点的位置如何，在更高频率处都出现较小特征，因此很可能是由于某些测量的相对低的信噪比(参见相对振幅信号标度)造成的测量伪像。
图3是基于碳纳米管的扭转谐振器的不同简正模式的测量共振频率和模拟共振频率之间的比较(装置2，图2a)。研究了实心棒和中空圆柱体两个极端壳间耦合情况。强调的模拟频率是更接近测量频率的频率。
图4是CNT、BNNT和WS2NT的扭转谐振特性的比较：(a)代表性的基于CNT、基于BNNT和基于WS2NT的谐振器在空气和真空中的扭转谐振峰(分别为CNT装置#2(左)、BNNT装置#1(中)和WS2NT#1(右))。括号中的值表示在真空中测量的值。(b)作为NT直径的函数的在空气中测量的扭转谐振器的动态扭转弹簧常数。(c)作为谐振器扭转弹簧常数的函数的所有谐振器在空气中的品质因数(在(b)和(c)中，左下CNT，中间BNNT，右上WS2)。
图5是CNT、BNNT和WS2NT谐振器的静态扭转弹簧常数的测量。(a)在力-距离测量期间AFM悬臂和踏板的示意图。(b)CNT谐振器(装置#5)的线性刚度被绘制为悬臂跨过踏板的位置的函数。
图6示出了LDV系统的激光点对踏板的瞄准。
图7是基于BNNT的扭转装置#1的FEA模拟。
图8是基于WS2NT的扭转装置#1的FEA模拟。
图9是基于二硫化钨纳米管的扭转谐振器的LDV频谱(下)相对于混合频谱(上)。
图10是电信号混合测量的示意性描述。
应该领会，为了图示的简单和清楚起见，图中显示的元素不一定按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元素的尺寸可以相对于其它元素被放大。此外，在认为适当的情况下，附图标记可以在图之间重复以指示相应的或相似的元素。
具体实施方式
在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以提供对本发明的全面了解。然而，本领域技术人员将会理解，在没有这些具体细节下可以实践本发明。在其它情况下，公知的方法、过程和组分不被详细描述，以免使本发明费解。
如上所述，决定谐振NEMS灵敏度的最关键因素之一是它们的品质因数。品质因数越高，在一个振荡周期期间消散的能量越少。内摩擦、层间耦合、晶体学结构和化学组成可在决定纳米管的扭转行为、特别是它们的品质因数(Q)中发挥关键作用。
这些影响品质因数的方面推动了对金属硫属元素化物纳米管作为扭转装置的潜在结构单元的考查。为此，WS2纳米管(WS2NT)由于其显著的机电响应、粘滑扭转行为和高载流能力而被发现是有前景的材料。
在一个实施方式中，本发明提供了基于金属硫属元素化物纳米管的扭转谐振器。在环境条件和真空条件下，将所述谐振器的机电性质与基于CNT的扭转谐振器进行比较。发现金属硫属元素化物纳米管表现出更高的扭转谐振频率和品质因数，扩大了扭转NEMS装置的可用材料工具箱。本发明还证明了金属硫属元素化物纳米管对于一般的NEMS、特别是扭转NEMS是有前景的结构单元。
在一个实施方式中，本发明中公开的扭转谐振器表现出有意破坏的对称性，使其能够静电致动。
扭转谐振器的一个实施方式(图1)由端部夹在金属焊盘之间、顶部附有悬置式踏板的悬置式纳米管(MWCNT，WS2NT)组成。踏板相对于纳米管是偏心的，使得踏板的每一端位于与纳米管不同的距离处(图1b、1c，相对于纳米管，踏板的右手侧比踏板的左手侧长；并且在图1d中，相对于纳米管线，踏板的远侧比近侧短)。所述谐振器使用如下制造：电子束光刻，然后进行湿法蚀刻和临界点干燥(参见实施例)。为了测量所述扭转谐振器的振荡行为，使用网络分析仪在基板和踏板之间施加DC偏置电压和较小的AC驱动电压。AC分量的频率从0.1MHz到24MHz(根据该实施方式的检测系统上限)扫描。基板和踏板之间的交流电压与踏板中心相对于纳米管的偏移相结合，在踏板上产生振荡净扭矩，从而周期性地扭转纳米管。踏板的振幅使用激光多普勒振动计(LDV)检测，并作为驱动AC电压频率的函数提供，以捕获每个基于纳米管的谐振器的谐振响应(图1d)。
总之，首次测量了基于金属硫属元素化物纳米管、即WS2NT和BNNT的扭转NEMS的谐振频谱，并将其与基于MWCNT的类似装置的谐振频谱进行比较。发现在大气压下，WS2NT表现出最高的品质因数和谐振频率，其次是BNNT和MWCNT。不受任何理论束缚，这些结果可归因于碳、BN和WS2NT之间的三个主要差异：(i)直径(强烈影响扭转弹簧常数)，(ii)剪切模量(线性影响所述弹簧常数)，和(iii)壳间耦合，它影响贡献于总体扭转行为的有效层数。品质因数系统地依赖于空气中的扭转弹簧常数，在本征材料性质占主导地位的高真空中，预计该常数会显著变化。
发现，对于INT，当与CNT相比时，在层之间具有较高的耦合。较高的层间耦合增加了它们的刚度，并且这增加了谐振频率。较高的层间耦合也降低了能量消散，这增加了品质因数。WS2NT对扭转/扭动的电响应(即由于扭动导致的电导变化)高于CNT。具有较高的谐振频率、较高的品质因数和对扭转的较高电响应都会使扭转谐振器对惯性变化的灵敏度增加。因此，当与基于CNT的谐振器比较时，本发明提供的基于INT的谐振器是有利的。
动态扭转弹簧常数从扭转谐振峰提取，并与通过AFM测量的静态弹簧常数进行比较。发现，虽然CNT和BNNT的动态扭转弹簧常数略高于静态扭转弹簧常数，但WS2NT的动态κ明显大于其静态κ。常数之间的这些差异可能源于速度依赖性壳间摩擦，但需要进一步研究以充分了解这种感兴趣的行为。也在真空条件下测量了各种NT的谐振频谱。认为，尽管由于空气阻尼降低而观察到所有NT的品质因数的预期增加，但尚未达到使得能够观察NT的真实本征行为的足够真空水平。未来在更高真空下的实验将为金属硫属化物纳米管的扭转机械性质提供更准确的值。然而，现有数据提供了它们独特的扭转谐振特性的重要评估，表明金属硫属元素化物纳米管具有比碳纳米管更高的谐振频率和品质因数，从而证明了金属硫属元素化物纳米管作为功能性NEMS装置的结构单元的巨大潜力。WS2NT和BCNNT(BCNNT＝硼碳氮化物纳米管)的扭转运动期间的机电耦合原则上使得能够实现扭转运动的电检测，进一步促进了金属硫属元素化物纳米管作为NEMS的结构单元的潜力。
应注意，在一些实施方式中，装置包含踏板，并且在其它实施方式中，装置不包含踏板。在包含踏板的装置中，踏板不仅用于分析机电偏移，而且在一些实施方式中是装置的一部分。踏板提供了具有惯性行为并调制谐振频率的质量。在装置不包含踏板的实施方式中，启用其它谐振机电功能。例如，本发明的实施方式包括作为弦(string)的基于纳米管的振动装置。根据该方面并且在一个实施方式中，悬置在基板上方的纳米管部分位于两个锚固部或焊盘之间，不包含附着于纳米管的任何附加结构。
在一个实施方式中，本发明提供了一种包含无机纳米管的谐振器。在一个实施方式中，本发明提供了一种包含无机纳米管的机电谐振器。在一个实施方式中，本发明提供了一种包含无机纳米管的谐振器，其中所述谐振器是电激活的。在一个实施方式中，本发明的装置的电激活产生机械响应。在一个实施方式中，本发明的装置的电激活产生谐振响应。在一个实施方式中，在某个谐振频率下的电激活，引起纳米管旋转或振动。在一个实施方式中，在某个谐振频率下的电激活，引起纳米管旋转或振动，使得旋转/振动可检测。在一个实施方式中，在某个谐振频率下的电激活，引起纳米管旋转或振动，使得旋转/振动用于进一步激活其它装置/系统。在一个实施方式中，本发明的装置中纳米管的运动引起电响应。在一个实施方式中，检测或记录电响应。在一个实施方式中，电响应用于激活其它装置/系统。上文描述的装置进一步如下文所述进行表征。
术语“纳米结构”意指包括具有至少一维在纳米范围内(即，根据某些实施方式在0.1nm和100nm之间或0.1nm和500nm之间或在0.1nm和999nm之间)的任何三维结构。根据本发明，纳米管形式的纳米结构包括至少一种通式为MpXq的金属-硫属元素化物化合物的卷制片材，其中M是金属、X是硫属元素化物原子(离子)、并且p和q是0和3之间的任何数字。在一个实施方式中，p、q或其组合是整数。在一个实施方式中，纳米管(NT)是如上文所述的纳米结构，以的管形式。
根据其它实施方式，以纳米管形式的纳米结构包含通式M1p1M2p2X1q1X2q2的至少一种金属-硫属元素化物化合物的卷制片材，其中M1是第一金属，M2是第二金属，X1是第一硫属元素化物和X2是第二硫属元素化物原子(离子)，并且p和q在0和3之间。在一个实施方式中，p1、p2、q1、q2或其组合是整数。在一些实施方式中，p1、p2、q1、q2或其组合不是整数。在一个实施方式中，P1为零，并且p2、q1和q2不为零。在一个实施方式中，q1为零，并且p1、p2和q2不为零。在一个实施方式中，金属-硫属元素化物化合物包含一种金属和一种硫属元素化物。在一个实施方式中，金属-硫属元素化物化合物包含两种金属和一种硫属元素化物。在一个实施方式中，金属-硫属元素化物化合物包含一种金属和两种硫属元素化物。在一个实施方式中，金属-硫属元素化物化合物包含两种金属和两种硫属元素化物。
以上描述的是制备本发明纳米管的可能的金属硫属元素化物的例子。应注意，任何金属-硫属元素化物组合物都包括在本发明的纳米管中，包括包含仅一种金属(例如仅W)和仅一种硫属元素化物(例如仅S)的金属硫属元素化物、包含多于一种金属和仅一种硫属元素化物的金属硫属元素化物、包含仅一种金属和多于一种硫属元素化物的金属硫属元素化物、包含多于一种金属和多于一种硫属元素化物的金属硫属元素化物。如上文所述的纳米管的组合可用于其中使用多于一种纳米管的装置中。在一个具体实施方式中，纳米管具有式MXn，其中M是金属，X是硫属元素化物，n范围在0和3之间。在另一个具体实施方式中，纳米管具有式MXn，其中M是金属，X是硫属元素化物，n是值为1、2或3的整数。
在一些实施方式中，纳米结构选自纳米管、纳米卷、纳米笼或其任何组合。
术语金属-硫属元素化物纳米管意在涵盖包含金属-硫属元素化物化合物(在一些实施方式中不由碳原子组成)的纳米管。纳米管由二维片材(即金属-硫属元素化物化合物的片材)形成，片材被卷起以形成管。片材内的原子被强化学键保持。
在一个实施方式中，无机纳米管(INT)是指不包含碳的纳米管。在一个实施方式中，术语‘无机纳米管’不包括碳纳米管。在一个实施方式中，无机纳米管仅由无机元素组成，不包括碳。
本发明的纳米管在一个实施方式中可以是单壁的。在一些实施方式中，本发明的纳米管是多壁纳米管。在本发明的一些装置中，单壁纳米管和多壁纳米管二者都存在。在一些实施方式中，纳米管是包含一层材料的单壁封闭管。在一个实施方式中，多壁纳米管包括多于一个封闭的中空管，其中较小直径的管定位在较大直径的管内。在其它实施方式中，管是盘旋管。在一个实施方式中，管是螺旋管。
在一些实施方式中，本发明的装置是谐振器。在一些实施方式中，本发明的机电装置是谐振器。
在如上文所述的式MXn的本发明金属硫属元素化物中，在一些实施方式中，M是任何金属。在一些实施方式中，金属M可以是碱金属、碱土金属、过渡金属或半金属。
在一些实施方式中，金属M选自Li、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu、Ca、Sr、Ba、Sn、Pb、Sb、Bi、稀土、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Nb、Ta、W和Mo、Re、Zr、Hf、Pt、Ru、Rh、In、Ga和合金例如WMo、TiW、WzMo1-z。在一些实施方式中，这些金属存在于如上文所述的式M1p1M2p2X1q1X2q2的本发明金属硫属元素化物中。
在一些实施方式中，金属硫属元素化物(X)或(X1)/(X2)选自S、Se、Te。
在一些实施方式中，纳米管的直径范围在1nm和999nm之间或在1nm和990nm之间或在1nm和900nm之间。在一些实施方式中，纳米管的直径范围在10nm和999nm之间或10nm和990nm之间或10nm和900nm之间。在一些实施方式中，纳米管的直径范围在20和600nm之间，在20nm和500nm之间，在20和400nm之间，在20和350nm之间，在20和300nm之间，在20和250nm之间，在20和200nm之间，在20和150nm之间，或甚至在20和100nm之间。在一些实施方式中，管状纳米结构的直径在约25nm和约500nm之间，在约50nm和约500nm之间，在约100nm和约500nm之间，在约150nm和约500nm之间，在约200nm和约500nm之间，在约250nm和约500nm之间，或甚至在约300nm和约500nm之间。在另一个实施方式中，管状纳米结构的直径在约25nm和约400nm之间，在约50nm和约350nm之间，或在约100nm和约250nm之间。
纳米卷是线状结构，其中金属-硫属元素化物材料层是成卷的，并且其中线状卷的直径在纳米范围内。在一些实施方式中，纳米卷不包含中空中心。在其它实施方式中，纳米卷包含中空中心。在本发明的实施方式中，当提及纳米管时，同样的实施方式适用于纳米卷。
在包含2-D卷制材料层的多壁纳米管中，在一个实施方式中层数范围在2-10之间，或在一些实施方式中在2-20之间。
对于包含各自形成为封闭管的层的纳米管而言，纳米管的横截面呈现出2-10或2-20个一个套另一个的同心圆。
在如上文所述的(多壁)纳米卷中，层数可以从内层或从卷的横截面的中心开始、向外直至最外层进行计数。
在一些实施方式中，本发明的纳米管或纳米卷是有涂层的。在一个实施方式中，涂层包含无机材料。在一个实施方式中，涂层包含有机材料。
在一些实施方式中，本发明的机电装置/谐振器与光致动/感测相结合。在一些实施方式中，本发明的机电装置与磁致动/感测相结合。在一些实施方式中，本发明的机电装置与电致动/感测相结合。在一个实施方式中，本发明的机电装置用作感测化学/生物材料的存在的传感器。在一个实施方式中，感测的材料是水。在一个实施方式中，基于本发明装置的传感器/检测器包括湿度传感器(水传感器)、材料检测器、化学传感器/检测器、生物传感器/检测器、密度检测器、地质检测器。在一个实施方式中，本发明的机电装置用作评价化学/生物材料的反应动力学的传感器。
在一个实施方式中，本发明的装置中焊盘之间的间隔(距离)在10nm和100nm之间，或在10nm和200nm之间，或在10nm和10μm之间，或在10nm和500nm之间，或在100nm和1000nm之间，或在1μm和10μm之间，或在1μm和5μm之间，或在10nm和10μm之间，或在10nm和100μm之间。
在一个实施方式中，本发明的纳米管的长度范围在100nm和100μm之间，或在10nm和100nm之间，或在1μm和10μm之间，或在1μm和100μm之间，或在100nm和1000nm之间。在一个实施方式中，纳米管的长度范围在20nm和100nm之间或在20nm和1000nm之间或在10nm和200μm之间。
硫属元素化物是由至少一种硫属元素阴离子和至少一种阳离子组成的化合物。硫属元素化物阴离子由周期表第16族的原子形成。金属硫属元素化物是包含金属阳离子和硫属元素化物阴离子的化合物。在一些实施方式中，术语“硫属元素化物”仅指阴离子，而在其它实施方式中，术语“硫属元素化物”是指包含硫属元素化物阴离子和金属阳离子的化合物。
在一些实施方式中，本发明的装置的制造涉及一种或多种以下方法：从溶液沉积(例如，电沉积或无电沉积，饱和，离心)、气相沉积/蒸发法例如PVD、CVD、电子束蒸发或电阻加热蒸发。在一些实施方式中，用于形成本发明装置的部分的方法包括利用可移动尖端和表面例如STM、AFM的方法或与STM和AFM装置和系统有关的方法。在一个实施方式中，本发明的结构利用原子/分子从溶液或从气相自组装到表面上。在一个实施方式中，涉及各种曝光参数的电子束光刻用于在本发明的装置中形成结构。在一个实施方式中，涉及冲压、模塑、软光刻、UV和电子束光刻的方法以及相关方法用于在本发明的装置中图案化/形成结构和部件。涉及湿法蚀刻、干法蚀刻、抗蚀剂施加和剥离、旋涂、滴铸的方法和相关方法可用于在本发明的装置中图案化/形成部件和结构。来自上述技术的技术组合可用于构造本发明的装置。如本领域技术人员所知，任何其它方法可用于形成本发明的结构。
掺杂
在一个实施方式中，纳米管/纳米卷是掺杂的。在一个实施方式中，掺杂剂材料是非金属。根据该方面并且在一个实施方式中，纳米管/纳米卷中的掺杂剂是氢、氧、氟或钠。以中性原子或离子形式的任何其它元素均可在本发明的实施方式中用作掺杂剂。
在另一个实施方式中，掺杂剂是金属。根据该方面并且在一个实施方式中，掺杂的金属-硫属元素化物纳米管的一般结构式是A(1-x)-Bx-硫属元素化物。原子(离子)B并入A-硫属元素化物的晶格中，根据A和B的性质以及并入的B的量(即A-B-硫属元素化物晶格中x的值)改变其特性。在一些实施方式中，Bx并入A-硫属元素化物的晶格中产生电子性质的改变，导致形成高导电性半导体或甚至导致从先前已知的半导体(即所选择的A-硫属元素化物)获得金属纳米管和金属样纳米管。
因此，在一些实施方式中，本发明的纳米管/纳米卷包含式A(1-x)-Bx-硫属元素化物的无机金属-硫属元素化物纳米管，其中A是金属/过渡金属或这种金属/过渡金属的合金，B是金属或过渡金属，并且x小于或等于0.3，条件是A≠B。
金属A可以是选自下列的金属或过渡金属或者金属或过渡金属的合金：Mo、W、Re、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Pt、Ru、Rh、In、Ga和合金如WMo、TiW、WzMo1-z。在其它实施方式中，金属A选自形成金属-硫属元素化物纳米管的任何金属或任何金属合金。
在一些实施方式中，金属B选自下列：Si、Nb、Ta、W、Mo、Sc、Y、La、Hf、Ir、Mn、Ru、Re、Os、V、Au、Rh、Pd、Cr、Co、Fe、Ni和合金如WzMo1-z。
在纳米管内，B和/或B-硫属元素化物并入A-硫属元素化物内。在一些实施方式中，硫属化物选自S、Se、Te。例如，本发明的纳米管可以是Mo1-xNbxS2、Mo(W)1-xRexS2、或可包含WMoS2、WMoSe2、TiWS2、TiWSe2的合金或由所述合金(其中Nb或Re掺杂在其中)组成。在本发明的合金内，以WMo、TiW为例，W和Mo或Ti和W之间的比率可以是一种金属或过渡金属的0.65-0.75和另一种金属或过渡金属的0.25-0.35，例如W0.7Mo0.29Nb0.01S2(以Nb掺杂剂的百分比给出)。在其它实施方式中，金属B选自可用作金属硫属元素化物纳米管中的掺杂剂的任何金属。
并入是指B和/或B-硫属元素化物在A-硫属元素化物晶格内均匀掺杂或合金化。B和/或B-硫属元素化物取代晶格内的A原子。这样的取代可以是连续或交替取代。
在一个实施方式中，掺杂剂的浓度范围在纳米管总金属含量的0.1％和40％之间。在一个实施方式中，在A(1-x)-Bx-硫属元素化物式中，x小于0.01。在一个实施方式中，x小于0.005。在一个实施方式中，x在0.005和0.01之间。
在一个实施方式中，掺杂剂在纳米管总金属含量的0.0001％和10％之间。在一个实施方式中，硫属元素化物选自S、Se和Te。在一个实施方式中，纳米管包含选自下列的材料或由下列材料组成：Mo1-xNbxS2、Mo1-xNbxSe2、W1-xTaxS2、W1-xTaxSe2、MoxWyNb1-x-yS2、MoxWyNb1-x-ySe2、Re1-xWxS2、Ti1-xScxS2、Zr1-xYxS2、Hf1-xLaxS2、Ta1-xHfxS2、Pt1-xIrxS2、Ru1-xMnxS2、Rh1-xRuxS2、Mo1-xRexS2、W1-xRexS2、Re1-xOsxS2、Ti1-xVxS2、Zr1-xNbxS2、Hf1-xTaxS2、Ta1-xWxS2、Pt1-xAuxS2、Ru1-xRhxS2、Rh1-xPdxS2；其中0.0001<x<0.5并且0.0001<y<0.5或其中0.0001<x<0.9999并且0.0001<y<0.9999，或其中0.0001<x<0.5或其中0.0001<x<0.9999或其中0.0001<x<1.9999或其中0.0001<x<1.9999并且0.0001<y<1.9999。
一种化合物中的硫属元素化物的混合物也是如上文所述的本发明的实施方式。根据该方面并且在一个实施方式中，纳米管包含WS2-xSeX、Mo1-xWxS2-ySey、WS2-x-ySexTey等或由其组成。
在一个实施方式中，本发明的金属硫属元素化物纳米管包含失配化合物。在一个实施方式中，金属硫属元素化物纳米管包含Bi2Se3或由其组成。
机电装置是其中电能转化为机械能或反之的装置。例如，在机电装置中，响应电刺激而产生运动。
在本发明的实施方式中，踏板是附着于纳米管的一块材料并用于检测纳米管响应电刺激的机械性质(例如，运动/旋转/弯曲/振荡)。在本发明的实施方式中，踏板更改、启动、平衡、增强、降低、转移、吸收、表现、感测、检测和/或控制本发明的装置中由纳米管执行的机械动作。
在一个实施方式中，纳米管不包含碳纳米管。在一个实施方式中，纳米管不包含碳。在一个实施方式中，本发明的装置不包含碳纳米管。
临界点干燥(CPD)是一种方法，其涉及通过用超临界液态CO2冲洗来干燥样品且不会遭受溶剂表面张力的破坏作用，液态CO2在没有液-气界面下顺利地从液态变为气态。
在一个实施方式中，本发明的装置中的纳米管不包含碳纳米管。在一个实施方式中，本发明的装置中的纳米管不包含碳。
本发明的谐振器
在一个实施方式中，本发明提供了一种包含至少一种金属-硫属元素化物纳米管的机电谐振器。在一个实施方式中，装置包含一种纳米管。在一个实施方式中，装置包含多于一种纳米管。在一个实施方式中，本发明提供了包含一个或多个本发明的装置/谐振器的系统或设备。根据该方面并且在一个实施方式中，本发明的系统和设备在一个实施方式中包含一种纳米管，或在其它实施方式中多于一种纳米管。在一个实施方式中，本发明的系统和设备还包含探针、监测器、控制器、测量装置、计算机化元件、电触点、光学仪器、电流/电压发生器、减震器、电气元件、光学元件和能够实现/便于本发明的机电装置、系统和设备的操作和功能的其它元件。在一个实施方式中，装置是微机电装置(MEM)、纳机电装置(NEM)或其组合。
在一个实施方式中，金属硫属元素化物纳米管包含WS2、MoS2、WSe2、MoSe2。在一个实施方式中，金属硫属元素化物纳米管包含Mo1-xNbxS2、Mo1-xNbxSe2、W1-xTaxS2、W1-xTaxSe2、MoxWyNb1-x-yS2、MoxWyNb1-x-ySe2、Re1-xWxS2、Ti1-xScxS2、Zr1-xYxS2、Hf1-xLaxS2、Ta1-xHfxS2、Pt1-xIrxS2、Ru1-xMnxS2、Rh1-xRuxS2、Mo1-xRexS2、W1-xRexS2、Re1-xOsxS2、Ti1-xVxS2、Zr1-xNbxS2、Hf1-xTaxS2、Ta1-xWxS2、Pt1-xAuxS2、Ru1-xRhxS2、Rh1-xPdxS2、WS2-xSeX、Mo1-xWxS2-ySey、WS2-x-ySexTey。在一个实施方式中，纳米管被另一种材料掺杂。在一个实施方式中，纳米管被金属掺杂。在一个实施方式中，金属是Nb或Re。在一个实施方式中，掺杂材料包含氢、氧、氟或钠。
在一个实施方式中，本发明的机电装置选自由下列组成的组：谐振器、陀螺仪、加速度计、质量传感器、磁力计、移动镜。
在一个实施方式中，纳米管的直径范围在1nm和1000nm之间。在一个实施方式中，纳米管的直径范围在1nm和100nm之间。在一个实施方式中，纳米管的直径范围在1nm和10nm之间或在10nm和50nm之间或在50nm和250nm之间或在250nm和500nm之间或在500nm和1μm之间。
在一个实施方式中，对于单一纳米管，纳米管是单壁或多壁纳米管。在一个实施方式中，对于多于一种纳米管，纳米管是单壁的、多壁的或其组合。在一个实施方式中，纳米管是至少部分中空的。在一个实施方式中，纳米管不是中空的。
在一个实施方式中，本发明的装置/谐振器还包含：
●基板；
●至少第一焊盘和第二焊盘；
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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