Modeling and numerical analysis for an MEMS graphene resonator

石墨烯 微电子机械系统 谐振器 材料科学 计算机科学 纳米技术 光电子学
作者
Ji‐Huan He,Qingmei Bai,Ye-Cheng Luo,Dilyara Kuangaliyeva,Grant A. Ellis,Yerkebulan Yessetov,Piotr Skrzypacz
出处
期刊:Frontiers in Physics [Frontiers Media]
卷期号:13
标识
DOI:10.3389/fphy.2025.1551969
摘要

This paper delves into the static and dynamic behavior of graphene cantilever beam resonators under electrostatic actuation at their free tips. A rigorous analysis of the system’s response is performed. The constitutive nonlinear equation of the system is derived using the energy method and Hamilton’s principle. An analytical solution to the nonlinear static problem is obtained. The generalized stiffness coefficient for the lumped model of the cantilever graphene beam under load at its tip is calculated, enabling a comprehensive analysis of its dynamic behavior. A key focus is on investigating the dynamic pull-in conditions of the system under both constant and harmonic excitation. Analytical predictions are validated through numerical simulations. The system exhibits periodic solutions when the excitation parameters are below a certain threshold described by a separatrix curve, leading to sustained oscillations. On the other hand, if the excitation parameters exceed this threshold, the system experiences pull-in instability, causing the beam to touch down. Furthermore, we explore the impact of excitation frequency on the dynamic response of the graphene cantilever beam under harmonic load. The simulations reveal that choosing the excitation frequency near the beam’s resonance frequency can lead to structural collapse under certain parameter conditions.
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