Quantifying stress distribution in ultra-large graphene drums through mode shape imaging

材料科学 压力(语言学) 制作 张力(地质) 模式(计算机接口) 声学 光学 机械 复合材料 计算机科学 物理 操作系统 极限抗拉强度 医学 哲学 病理 语言学 替代医学
作者
Ali Sarafraz,Hanqing Liu,Katarina Cvetanović,Marko Spasenović,Sten Vollebregt,Tomás Manzaneque Garcia,Peter G. Steeneken,Farbod Alijani,Gerard J. Verbiest
出处
期刊:npj 2D materials and applications [Springer Nature]
卷期号:8 (1) 被引量:4
标识
DOI:10.1038/s41699-024-00485-6
摘要

Abstract Suspended drums made of 2D materials hold potential for sensing applications. However, the industrialization of these applications is hindered by significant device-to-device variations presumably caused by non-uniform stress distributions induced by the fabrication process. Here, we introduce a methodology to determine the stress distribution from their mechanical resonance frequencies and corresponding mode shapes as measured by a laser Doppler vibrometer (LDV). To avoid limitations posed by the optical resolution of the LDV, we leverage a manufacturing process to create ultra-large graphene drums with diameters of up to 1000 μm. We solve the inverse problem of a Föppl–von Kármán plate model by an iterative procedure to obtain the stress distribution within the drums from the experimental data. Our results show that the generally used uniform pre-tension assumption overestimates the pre-stress value, exceeding the averaged stress obtained by more than 47%. Moreover, it is found that the reconstructed stress distributions are bi-axial, which likely originates from the transfer process. The introduced methodology allows one to estimate the tension distribution in drum resonators from their mechanical response and thereby paves the way for linking the used fabrication processes to the resulting device performance.

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