Atomically thin two-dimensional (2D) crystals offer attractive properties for making resonant nanoelectromechanical systems (NEMS) operating at high frequencies. While the fundamental limits of linear operation in such systems are important, currently there is very little quantitative knowledge of the linear dynamic range (DR) and onset of nonlinearity in these devices, which are different than in conventional 1D NEMS such as nanotubes and nanowires. Here, we present theoretical analysis and quantitative models that can be directly used to predict the DR of vibrating 2D circular drumhead NEMS resonators. We show that DR has a strong dependence 10log(EY3/2ρ3D-1/2rtε5/2) on device parameters, in which strain ε plays a particularly important role in these 2D systems, dominating over dimensions (radius r, thickness t). This study formulizes the effects from device physical parameters upon DR and sheds light on device design rules toward achieving high DR in 2D NEMS vibrating at radio and microwave frequencies.

2.
R. A.
Barton
,
J.
Parpia
, and
H. G.
Craighead
,
J. Vac. Sci. Technol. B
29
,
050801
(
2011
).
3.
Z.
Wang
,
J.
Lee
,
K.
He
,
J.
Shan
, and
P. X.-L.
Feng
,
Sci. Rep.
4
,
3919
(
2014
).
4.
J.
Lee
,
Z.
Wang
,
K.
He
,
J.
Shan
, and
P. X.-L.
Feng
,
ACS Nano
7
,
6086
(
2013
).
5.
S.
Sengupta
,
H. S.
Solanki
,
V.
Singh
,
S.
Dhara
, and
M. M.
Deshmukh
,
Phys. Rev. B
82
,
155432
(
2010
).
6.
C.
Chen
,
S.
Rosenblatt
,
K. I.
Bolotin
,
W.
Kalb
,
P.
Kim
,
I.
Kymissis
,
H. L.
Stormer
,
T. F.
Heinz
, and
J.
Hone
,
Nat. Nanotechnol.
4
,
861
(
2009
).
7.
C.
Chen
,
S.
Lee
,
V. V.
Deshpande
,
G.-H.
Lee
,
M.
Lekas
,
K.
Shepard
, and
J.
Hone
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
923
(
2013
).
8.
A. H.
Nayfeh
and
D. T.
Mook
,
Nonlinear Oscillations
(
John Wiley
,
New York
,
1979
).
9.
I.
Kozinsky
,
H. W. C.
Postma
,
I.
Bargatin
, and
M. L.
Roukes
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
253101
(
2006
).
10.
A. N.
Cleland
,
Foundations of Nanomechanics
(
Springer-Verlag
,
New York
,
2003
).
11.
H. W.
Postma
,
I.
Kozinsky
,
A.
Husain
, and
M. L.
Roukes
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
223105
(
2005
).
12.
J. S.
Bunch
,
A. M.
van der Zande
,
S. S.
Verbridge
,
I. M.
Frank
,
D. M.
Tanenbaum
,
J. M.
Parpia
,
H. G.
Craighead
, and
P. L.
McEuen
,
Science
315
,
490
(
2007
).
13.
R. A.
Barton
,
B.
Ilic
,
A. M.
van der Zande
,
W. S.
Whitney
,
P. L.
McEuen
,
J. M.
Parpia
, and
H. G.
Craighead
,
Nano Lett.
11
,
1232
(
2011
).
14.
K.
Schwab
and
M. L.
Roukes
,
Phys. Today
58
(
7
),
36
(
2005
).
15.
A. D.
O'Connell
,
M.
Hofheinz
,
M.
Ansmann
,
R. C.
Bialczak
,
M.
Lenander
,
E.
Lucero
,
M.
Neeley
,
D.
Sank
,
H.
Wang
,
M.
Weides
 et al,
Nature
464
,
697
(
2010
).
16.
J. D.
Teufel
,
T.
Donner
,
D.
Li
,
J. W.
Harlow
,
M. S.
Allman
,
K.
Cicak
,
A. J.
Sirois
,
J. D.
Whittaker
,
K. W.
Lehnert
, and
R. W.
Simmonds
,
Nature
475
,
359
(
2011
).
17.
J.
Chan
,
T. P. M.
Alegre
,
A. H.
Safavi-Naeini
,
J. T.
Hill
,
A.
Krause
,
S.
Gröblacher
,
M.
Aspelmeyer
, and
O.
Painter
,
Nature
478
,
89
(
2011
).
18.
V.
Sazonova
,
Y.
Yaish
,
H.
Ustunel
,
D.
Roundy
,
T. A.
Arias
, and
P. L.
McEuen
,
Nature
431
,
284
(
2004
).
19.
Y.
Wei
,
B.
Wang
,
J.
Wu
,
R.
Yang
, and
M. L.
Dunn
,
Nano Lett.
13
,
26
(
2013
).
20.
N.
Lindah
,
D.
Midtvedt
,
J.
Svensson
,
O. A.
Nerushev
,
N.
Lindval
,
A.
Isacsson
, and
E. E. B.
Campbel
,
Nano Lett.
12
,
3526
(
2012
).
21.
J.-W.
Jiang
,
Z.
Qi
,
H. S.
Park
, and
T.
Rabczuk
,
Nanotechnology
24
,
435705
(
2013
).
22.
X.
Song
,
M.
Oksanen
,
M. A.
Sillanpää
,
H. G.
Craighead
,
J. M.
Parpia
, and
P. J.
Hakonen
,
Nano Lett.
12
,
198
(
2012
).
23.
V.
Singh
,
S.
Sengupta
,
H. S.
Solanki
,
R.
Dhall
,
A.
Allain
,
S.
Dhara
,
P.
Pant
, and
M. M.
Deshmukh
,
Nanotechnology
21
,
165204
(
2010
).
24.
Y.
Xu
,
C.
Chen
,
V. V.
Deshpande
,
F. A.
DiRenno
,
A.
Gondarenko
,
D. B.
Heinz
,
S.
Liu
,
P.
Kim
, and
J.
Hone
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
243111
(
2010
).
25.
A. M.
van der Zande
,
R. A.
Barton
,
J. S.
Alden
,
C. S.
Ruiz-Vargas
,
W. S.
Whitney
,
P. H. Q.
Pham
,
J. W.
Park
,
J. M.
Parpia
,
H. G.
Craighead
, and
P. L.
McEuen
,
Nano Lett.
10
,
4869
(
2010
).
26.
Y.
Oshidari
,
T.
Hatakeyama
,
R.
Kometani
,
S.
Warisawa
, and
S.
Ishihara
,
Appl. Phys. Express
5
,
117201
(
2012
).
27.
A.
Eichler
,
J.
Moser
,
J.
Chaste
,
M.
Zdrojek
,
I.
Wilson-Rae
, and
A.
Bachtold
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
339
(
2011
).
28.
D.
Garcia-Sanchez
,
A. M.
van der Zande
,
A.
San Paulo
,
B.
Lassagne
,
P. L.
McEuen
, and
A.
Bachtold
,
Nano Lett.
8
,
1399
(
2008
).
29.
S.
Lee
,
C.
Chen
,
V. V.
Deshpande
,
G.-H.
Lee
,
I.
Lee
,
M.
Lekas
,
A.
Gondarenko
,
Y.-J.
Yu
,
K.
Shepard
,
P.
Kim
 et al,
Appl. Phys. Lett.
102
,
153101
(
2013
).
30.
R. A.
Barton
,
I. R.
Storch
,
V. P.
Adiga
,
R.
Sakakibara
,
B. R.
Cipriany
,
B.
Ilic
,
S. P.
Wang
,
P.
Ong
,
P. L.
McEuen
,
J. M.
Parpia
, and
H. G.
Craighead
,
Nano Lett.
12
,
4681
(
2012
).
31.
A. M.
Eriksson
,
D.
Midtvedt
,
A.
Croy
, and
A.
Isacsson
,
Nanotechnology
24
,
395702
(
2013
).
32.
V. A.
Chobotov
and
R. C.
Binder
,
J. Acoust. Soc. Am.
36
,
59
(
1964
).
33.
C. T.-C.
Nguyen
,
IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control
54
,
251
(
2007
).
34.
I.
Mahboob
and
H.
Yamaguchi
,
Nat. Nanotechnol.
3
,
275
(
2008
).
35.
M. D.
LaHaye
,
O.
Buu
,
B.
Camarota
, and
K. C.
Schwab
,
Science
304
,
74
(
2004
).
36.
S.
Gigan
,
H. R.
Bohm
,
M.
Paternostro
,
F.
Blaser
,
G.
Langer
,
J. B.
Hertzberg
,
K. C.
Schwab
,
D.
Bauerle
,
M.
Aspelmeyer
, and
A.
Zeilinger
,
Nature
444
,
67
(
2006
).
37.
C. A.
Regal
,
J. D.
Teufel
, and
K. W.
Lehnert
,
Nat. Phys.
4
,
555
(
2008
).
38.
Y.-S.
Park
and
H.
Wang
,
Nat. Phys.
5
,
489
(
2009
).
39.
S.
Gröblacher
,
J. B.
Hertzberg
,
M. R.
Vanner
,
G. D.
Cole
,
S.
Gigan
,
K. C.
Schwab
, and
M.
Aspelmeyer
,
Nat. Phys.
5
,
485
(
2009
).
40.
A.
Schliesser
,
O.
Arcizet
,
R.
Rivière
,
G.
Anetsberger
, and
T. J.
Kippenberg
,
Nat. Phys.
5
,
509
(
2009
).
41.
T.
Rocheleau
,
T.
Ndukum
,
C.
Macklin
,
J. B.
Hertzberg
,
A. A.
Clerk
, and
K. C.
Schwab
,
Nature
463
,
72
(
2010
).
42.
M. E.
Tobar
and
D. G.
Blair
,
Rev. Sci. Instrum.
66
,
2751
(
1995
).
43.
J. A.
Sidles
,
J. L.
Garbini
,
K. J.
Bruland
,
D.
Rugar
,
O.
Züger
,
S.
Hoen
, and
C. S.
Yannoni
,
Rev. Mod. Phys.
67
,
249
(
1995
).
44.
H. B.
Callen
and
T. A.
Welton
,
Phys. Rev.
83
,
34
(
1951
).
45.
C.
Stampfer
,
S.
Rotter
, and
J.
Burgdörfer
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
036101
(
2006
).
You do not currently have access to this content.