二維材料拓撲聲子晶體

對彈性波進行**操控在微波聲學器件領域具有很高的應用價值。當前迅速發展的拓撲聲子學**地提升了人們對彈性波的操控能力。一階拓撲絕緣體提供了理想的彈性波波導技術，其優勢有：（1）路徑任意且缺陷免疫，傳輸損耗**；（2）具有寬工作帶寬；（3）幾乎無色散。二階拓撲絕緣體提供了理想的零維彈性波諧振腔，其優勢有：（1）高品質因子；（2）小模式體系。利用彈性波拓撲波導和諧振腔組合即可實現性能**的聲學模擬信號處理器件。因此，將彈性拓撲材料進行微型化、集成化、乃至可（電）調制化，是一個極具潛力的應用研究方向。近期，一些可調、可重構的彈性波拓撲材料已被實驗證實。然而，這些方案普遍需要復雜的外部電路，而仍處于宏觀尺度。一種芯片級、易于實現且可（電）調制的彈性波拓撲材料方案仍然缺失。

具有原子層厚度的二維材料不僅具有高剛度、高強度、低質量等**的力學性能，同時還具有**的電、光及磁學特性，使其成為可調、可重構器件的理想選擇。在本文中，研究人員巧妙地將二維材料平鋪在圖形化襯底上，設計了一種由懸浮二維材料構筑的彈性波聲子晶體，如圖1所示。

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由于懸浮的二維材料與基底具有較大的聲學阻抗失配，懸浮二維材料中的彈性波將無法進入到基底中，因此也就能夠實現圖形化的二維聲子晶體。通過對圖形化基底的**設計，進而可以實現該聲子晶體的拓撲態，包括（一階拓撲）一維邊界態及（二階拓撲）零維拐角態。并可以利用它們實現構筑于二維材料的彈性波導、分束器、諧振器、帶通/帶阻濾波器等，如圖2所示。

圖2：基于該聲子晶體拓撲邊界態及角態構建的帶通濾波器。a器件構型；b透射譜；c理論Q值超106；d角態的激發場。

重要的是，由于二維材料具有較高的“電-機械”敏感性，人們即可以通過柵極電壓對這些彈性波元器件的工作頻率進行**調制，柵壓加載方式及調控效果如圖3所示。該案例中，研究人員選用的二維材料為石墨烯，襯底為表面沉積有二氧化硅薄膜的重摻雜硅（對二氧化硅進行圖形化）。包含有懸浮二維材料的復合材料整體形成電容類結構。可通過增減柵極電壓，調控靜電力的大小，進而增減石墨烯的形變，實現對器件工作頻率的調控。

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