能量收集装置和传感器及其制造和使用方法与流程

本发明所公开的技术整体涉及能量收集装置和传感器及其制造和使用方法。

背景技术：

振动能量收集是捕获来自外部振动源(例如车辆、机器、建筑物和人体运动)的振动能量的实践。然后，所捕获的能量可用于各种应用。在某些振动能量收集方法中，一个板固定在一端，当它被激发时，将在两个末端之间上下振动。通过在两个末端之间弯曲和振荡，在板表面上形成的应变/应力可用于产生能量。即使在机械安静的环境中，原子尺度的振动也普遍存在。这是由于材料保持在绝对零度以上的某个温度，这种振动被称为热振动。正是关于这些及其他考虑事项，介绍了下面描述的各种实施例。

技术实现要素：

根据本发明所公开的装置和方法的目的，如本文所体现和广泛描述的，本发明所公开的主题涉及能量收集装置和传感器及其制造和使用方法。

能量收集装置和传感器可包括膜，该膜包含设置在基板上的二维(2d)材料，其中膜包含一个或多个波纹。二维材料可例如包括石墨烯、mos2、mose2、ws2、wse2、res2、rese2或其组合。在某些实例中，二维材料可包括石墨烯。膜可例如具有0.3纳米(nm)至3.0nm的平均厚度。膜可例如具有0.1微米至100微米的平均横向尺寸。在一些实例中，膜可具有0.0n/m至10.0n/m的单位长度张力。所述一个或多个波纹可例如具有1nm至100nm的平均长度。在一些实例中，所述一个或多个波纹可具有0.1nm至2.0nm的平均高度。

基板可例如包含铜、硅、蓝宝石或其组合。在一些实例中，基板可包含网格，该网格包含一个或多个开孔。

能量收集装置进一步包括以电、磁和/或机械的方式耦接至膜和/或基板的部件，使得该部件构造为用于收集来自膜的能量。

在一些实例中，基板导热并且膜与基板热接触，其中基板的热能被转换为膜的振动，使得膜具有振动能量，并且部件构造为用于将膜的振动能量转换为电能、磁能和/或机械能，从而收集来自膜的能量。在一些实例中，热能可包括环境热能。在一些实例中，膜可具有振动能量，并且部件构造为用于将膜的振动能量转换为电能、磁能和/或机械能，从而收集来自膜的能量。在一些实例中，振动能量包括环境振动能量。振动能量可例如包括具有0.1毫赫(mhz)至10千兆赫(ghz)的频率的振动。

在一些实例中，能量收集装置可构造为使得所述一个或多个波纹中的每个可产生1皮瓦(pw)至100pw的功率。在一些实例中，能量收集装置可具有1w/m²至100,000w/m²的功率密度。

在一些实例中，膜可具有电荷，并且部件包括设置在膜的周围并且电耦接至膜的电容器，其中电容器构造为用于将荷电膜的振动能量转换为交流电流，从而收集来自膜的能量。在一些实例中，装置可进一步包括二极管桥式电路以将交流电流转换为直流电流。装置可例如进一步包括电耦接至二极管桥的电容器，使得直流可对电容器充电，从而存储由荷电膜的振动能量产生的电荷。

在一些实例中，膜可进一步包括多个磁性粒子。所述多个磁性粒子可例如包含铁、钴、铌、锰、镍或其组合。在一些实例中，所述多个磁性粒子可包含氧化铁、氧化钴或其组合。所述多个磁性粒子可例如具有0.5nm至10nm的平均粒径。在一些实例中，部件可包括磁耦接至膜的电极回路，其中装置构造为用于将膜的振动能量转换为时变磁场，该时变磁场在电极回路中感应出电流，从而将膜的振动能量转换为电流，并且收集来自膜的能量。装置可例如进一步包括电耦接至电极回路的电容器，使得该装置收集的能量能够存储在电容器中。

在一些实例中，部件可包括压电悬臂，并且膜具有机械耦接至压电悬臂的边缘，其中压电悬臂构造为用于将膜的振动能量转换为电能，从而收集来自膜的能量。装置可例如进一步包括电耦接至压电悬臂的电容器，使得该装置收集的能量能够存储在电容器中。

在一些实例中，膜可为压电膜，并且部件包括以机械和电的方式耦接至膜的电压读出器件，其中压电膜构造为用于将振动能量转换为电能，该电能可由电压读出器件收集。装置可例如进一步包括电耦接至电压读出器件的电容器，使得该装置收集的能量能够存储在电容器中。

在一些实例中，部件可包括机械耦接至膜和/或基板的箱形泵，其中箱形泵包括第一单向流体流量阀和第二单向流体流量阀，并且其中箱形泵构造为用于将膜的振动能量转换为经由第一单向流体流量阀和/或第二单向流体流量阀流过箱形泵的流体流，从而将膜的振动能量转换为流体流，并且收集来自膜的能量。

在一些实例中，膜可进一步包括横穿膜的通道。部件可例如包括机械耦接至膜的棘轮式运输器，其中棘轮式运输器构造为用于将膜的振动能量转换为棘轮式运输器的平移，使得棘轮式运输器能够在膜振动时经由通道从膜的一侧运送到膜的另一侧，从而将膜的振动能量转换为棘轮式运输器的平动能，并且收集来自膜的能量。

本发明还公开了传感器，所述传感器进一步包括以电、磁和/或机械的方式耦接至膜和/或基板的部件，使得该部件构造为用于检测来自膜的信号。在一些实例中，基板导热并且膜与基板热接触，其中基板构造为用于将热能转换为膜的振动，使得膜具有振动能量，并且部件构造为用于检测由膜的振动能量产生的信号。热能可例如包括环境热能。在一些实例中，膜具有振动能量，并且部件构造为用于检测由膜的振动能量产生的信号。振动能量可例如包括环境振动能量。振动能量可例如包括具有0.1mhz至10ghz的频率的振动。部件可包括电耦接至膜和/或基板的电极。在一些实例中，电极可构造为用于检测膜的振动能量的频率，使得传感器构造为基于膜的振动的频率的变化来检测膜的质量变化。在一些实例中，电极可构造为用于检测来自膜的电压信号的量值，使得传感器构造为基于从膜检测到的信号的量值的变化来检测膜的电荷变化。

本发明还公开了制造本文所述的能量收集装置和传感器的方法。例如，制造本文所述的能量收集装置和/或传感器的方法可包括：压缩二维材料的片材以形成膜；将膜设置在基板上；以及以电、磁和/或机械的方式将部件耦接至膜和/或基板。

压缩二维材料的片材可例如包括在该整个片材上施加横向压缩力，其中横向压缩力具有1纳牛(nn)至100nn的量值。在一些实例中，二维材料的片材具有初始长度，并且二维材料的压缩片材具有压缩长度，其中压缩长度比初始长度短0.01％至1％。

本发明还公开了使用本文所述的能量收集装置和/或传感器的方法。例如，本发明还公开了使用本文所述的能量收集装置收集能量的方法。

以下说明中将部分阐述本发明所公开的装置和方法的其他优点，并且这些优点将部分地从说明中显而易见。本发明所公开的装置的优点将通过随附权利要求中特别指出的元素与组合来实现和获得。应当理解，前文大体说明以及以下详细说明仅是示例性以及解释性的且并不限制所要求保护的本发明所公开的装置和方法。

在附图和以下说明中阐述了本发明的一个或多个实施例的细节。本发明的其他特征、目的和优点在说明和附图以及权利要求中将显而易见。

附图说明

并入在本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图阐明本公开的若干方面，并且与说明一起用以解释本公开的原理。

图1为设置在基板上的石墨烯膜的示意图，该基板包含铜网格。

图2为石墨烯膜中天然形成的波纹的示意图。

图3为能量收集装置的示意图。

图4为图3所示的能量收集装置所产生的交流电流被转换为直流电流并且存储在电容器中的示意图。

图5为能量收集装置的示意图。

图6为能量收集装置的示意图。

图7为能量收集装置的示意图。

图8a为能量收集装置的示意图。

图8b为能量收集装置的示意图。

图9a为能量收集装置的示意图。

图9b为能量收集装置的示意图。

图9c为能量收集装置的示意图。

图10为传感器的示意图。

图11示出了二维材料膜的实施方式的顶视图和侧视图，其中显示了一个波纹的形成。

图12示出了膜的实施方式的横截面的侧视图，其中显示了通过在膜上两个独立的端点处自然产生的压缩力而形成两个波纹。

图13为压缩二维材料的片材的示意图。

图14为独立式石墨烯的高度随时间的变化。

图15为图14中高度-时间数据的自相关性。

图16为根据图14和图15中的数据计算出的功率谱密度。

图17为介于cu导轨支撑件之间的原始独立式石墨烯的sem图像。

图18为实验设置的示意图。

图19示出了膜(上方)和刚性样品(下方)的高度的典型时间迹线。插图为独立式石墨烯时间迹线的放大视图。

图20示出了测量过程中的典型隧穿电流分布。

图21为作为时间函数的膜高的均方位移(msd)。虚线符合斜率1.4和0.3。插图为使用指数等待时间和cauchy跃长进行模拟的结果。同样，虚线符合斜率1.4和0.3。

图22为根据图19中所示的膜高z(t)计算出的速度自相关函数(acf)和瞬时速度(插图)。

图23为拟合到cauchy-lorentz和高斯分布的实测独立式石墨烯(fsg)膜速度概率分布函数(pdf)以及刚性对照样品的结果(方块符号)。

图24为不同隧穿电流的速度概率分布函数和cauchy-lorentz拟合结果(完整曲线)。

图25为速度概率分布函数的fwhm随两个不同偏置电压设定点的隧穿电流的变化。

图26为根据低温(100k)和高温(3000k)的md模拟得到的中心碳原子在不同时间下的高度。发现高温数据在1ns内从正高度转变为负高度四次。还显示了低通滤波高度。使用温度加速动力学(tad)执行这些计算，其中1ns的计算时间实时为1ms。

图27为低通滤波高度数据的跃长概率分布函数，其最佳拟合cauchy-lorentz和高斯分布。

图28为图26中标记为“(c)”的向下弯曲形状的膜的透视图。

图29为图26中标记为“(d)”的向上弯曲形状的膜的透视图。

图30为使用lammps根据现有技术的分子动力学模拟报告的输出，显示了预屈曲独立式石墨烯的高度-时间数据。

具体实施方式

通过参考以下对本发明所公开的主题及其中包括的实例的具体方面的详细说明，可以更容易地理解本文所述的装置和方法。

在公开和描述本发明的装置和方法之前，应当理解，以下描述的方面并不仅限于在以下说明中阐述的或在附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明所公开的技术可具有其他实施例，并且能够以多种方式实践或实施。

在下面的说明中参考了附图，这些附图形成本发明的一部分并且以例示的方式示出了特定实施例或实例。

另外应当了解，本文使用的术语只是为了描述特定方面的目的，并非旨在进行限制。在描述示例性实施例时，为了清楚起见，将采用术语。每个术语旨在设想本领域的技术人员能够理解的最广泛的含义，并且包括以类似方式操作以实现类似目的的所有技术等同形式。还应当了解，提及方法的一个或多个步骤并不排除在明确指出的那些步骤之间存在另外的方法步骤或中间方法步骤。在不脱离本发明所公开的技术的范围的情况下，可按照与本文所述的顺序不同的顺序执行方法的步骤。类似地，还应当了解，在装置或系统中提及一个或多个部件并不排除在明确指出的那些部件之间存在附加部件或中间部件。

另外，在整个说明书中，引用了各种出版物。这些出版物的全部公开内容据此以引用方式并入本申请，以便更全面地描述本发明所公开的内容所涉及的现有技术。所公开的参考文献也单独并且具体地以引用方式并入本文，参考文献中包含的材料在参考文献所依据的句子中予以讨论。

定义

在本说明书及随后的权利要求书中，将引用多个术语，将其定义为具有以下含义：

在本说明书的说明和权利要求书中，字词“包括”和该字词的其他形式诸如“包含”和“具有”意指“包括但不限于”，并不旨在排除例如其他添加剂、组分、整数或步骤。

如在说明和所附权利要求中所用，单数形式“一个”“一种”“该”和“所述”包括复数指代物，除非上下文另外明确规定。因此，例如，对“一种组合物”的提及包括两种或更多种此类组合物的混合物，对“所述化合物”的提及包括两种或更多种此类化合物的混合物，对“一种试剂”的提及包括两种或更多种此类试剂的混合物，等等。

应当理解，在整个说明书中，标识符“第一”和“第二”仅用于帮助读者区分本发明所公开的主题的各种部件、特征或步骤。标识符“第一”和“第二”并非旨在暗示对由这些术语修饰的部件或步骤的任何特定的次序、数量、偏好或重要性。

如本文中所用的术语“或其组合”是指在所述术语前面所列项目的所有排列和组合。例如，“a、b、c或其组合”旨在包括以下各项中的至少一者：a、b、c、ab、ac、bc或abc，并且如果在特定情况下顺序是重要的，那么还包括ba、ca、cb、cba、bca、acb、bac或cab。继续该实例，明确地包括含有一或多个项目或术语的重复的组合，例如bb、aaa、ab、bbc、aaabcccc、cbbaaa、cababb等。本领域的技术人员将理解，除非另外从上下文显而易见，否则通常不存在对任何组合中的项目或术语的数量的限制。

能量收集装置和传感器

本发明描述的是能量收集装置100和传感器140。能量收集装置100和传感器可包括设置在基板104上的膜102，其中膜102包含二维(2d)材料和一个或多个波纹。

在一个示例性实施例中，公开了一种能量收集装置100，该能量收集装置具有用于环境振动能量收集的电源，并且具有用于以相对低的频率屈曲的原子二维膜102。如果用作能量收集装置100的有源部件，这些二维材料的异常振动动能与现有技术相比可提供优异的能量产生。例如，在当前的硅微机电(mem)振动能量收集技术中，有源部件可为蚀刻硅平台。该平台无法自发振动或机械屈曲，因为它刚性过高。“机械屈曲”在本公开中理解为非线性现象。硅mem结构的现有方法为线性响应装置。相比之下，本文所述的能量收集装置100的膜102可自发振动和机械屈曲。

二维材料可例如包括石墨烯、mos2、mose2、ws2、wse2、res2、rese2或其组合。在某些实例中，二维材料可包括石墨烯。

可基于多种因素选择二维材料的特性。例如，不同二维材料的弯曲刚度有所不同，因此可获得不同的振动频率。另外，各种二维材料的电导率存在很大差异，可使用静电方法来控制收集能量的效率。因此，可选择二维材料的特性以控制这些参数中的一种或多种。

在一些实例中，膜102可包含独立式石墨烯，独立式石墨烯在速度概率分布中具有很大的速度分量。在一些实例中，膜102可在室温下表现出永久性非线性运动。

膜102可例如具有0.3纳米(nm)或更大(例如，0.4nm或更大、0.5nm或更大、0.6nm或更大、0.7nm或更大、0.8nm或更大、0.9nm或更大、1.0nm或更大、1.1nm或更大、1.2nm或更大、1.3nm或更大、1.4nm或更大、1.5nm或更大、1.6nm或更大、1.7nm或更大、1.8nm或更大、1.9nm或更大、2.0nm或更大、2.1nm或更大、2.2nm或更大、2.3nm或更大、2.4nm或更大、或2.5nm或更大)的平均厚度。在一些实例中，膜102可具有3.0nm或更小(例如，2.9nm或更小、2.8nm或更小、2.7nm或更小、2.6nm或更小、2.5nm或更小、2.4nm或更小、2.3nm或更小、2.2nm或更小、2.1nm或更小、2.0nm或更小、1.9nm或更小、1.8nm或更小、1.7nm或更小、1.6nm或更小、1.5nm或更小、1.4nm或更小、1.3nm或更小、1.2nm或更小、1.1nm或更小、1.0nm或更小、0.9nm或更小、0.8nm或更小、0.7nm或更小、0.6nm或更小、或0.5nm或更小)的平均厚度。膜102的平均厚度可在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之间。例如，膜102可具有0.3nm至3.0nm(例如，0.3nm至2.5nm、0.3nm至2.0nm、0.3nm至1.5nm、0.3nm至1.0nm、或0.3nm至0.6nm)的平均厚度。

膜102可例如具有0.1微米(μm)或更大(例如，0.5μm或更大、1μm或更大、1.5μm或更大、2μm或更大、2.5μm或更大、3μm或更大、3.5μm或更大、4μm或更大、4.5μm或更大、5μm或更大、6μm或更大、7μm或更大、8μm或更大、9μm或更大、10μm或更大、15μm或更大、20μm或更大、25μm或更大、30μm或更大、35μm或更大、40μm或更大、45μm或更大、50μm或更大、60μm或更大、70μm或更大、或80μm或更大)的平均横向尺寸。在一些实例中，膜102可具有100μm或更小(例如，90μm或更小、80μm或更小、70μm或更小、60μm或更小、50μm或更小、45μm或更小、40μm或更小、35μm或更小、30μm或更小、25μm或更小、20μm或更小、15μm或更小、10μm或更小、9μm或更小、8μm或更小、7μm或更小、6μm或更小、5μm或更小、4.5μm或更小、4μm或更小、3.5μm或更小、3μm或更小、2.5μm或更小、2μm或更小、1.5μm或更小、或1μm或更小)的平均横向尺寸。膜102的平均横向尺寸可在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之间。例如，膜102可具有0.1微米至100微米(例如，0.1μm至50μm、50μm至100μm、0.1μm至20μm、20μm至40μm、40μm至60μm、60μm至80μm、80μm至100μm、0.5μm至95μm、或10μm至90μm)的平均横向尺寸。

在一些实例中，膜102可具有0.0牛顿每米(n/m)或更大(例如，0.01n/m或更大、0.02n/m或更大、0.03n/m或更大、0.04n/m或更大、0.05n/m或更大、0.06n/m或更大、0.07n/m或更大、0.08n/m或更大、0.09n/m或更大、0.10n/m或更大、0.11n/m或更大、0.12n/m或更大、0.13n/m或更大、0.14n/m或更大、0.15n/m或更大、0.20n/m或更大、0.25n/m或更大、0.30n/m或更大、0.35n/m或更大、0.40n/m或更大、0.45n/m或更大、0.50n/m或更大、0.60n/m或更大、0.70n/m或更大、0.80n/m或更大、0.90n/m或更大、1.0n/m或更大、1.5n/m或更大、2.0n/m或更大、2.5n/m或更大、3.0n/m或更大、3.5n/m或更大、4.0n/m或更大、4.5n/m或更大、5.0n/m或更大、6.0n/m或更大、或7.0n/m或更大)的单位长度张力。在一些实例中，膜102可具有10.0n/m或更小(例如，9.0n/m或更小、8.0n/m或更小、7.0n/m或更小、6.0n/m或更小、5.0n/m或更小、4.5n/m或更小、4.0n/m或更小、3.5n/m或更小、3.0n/m或更小、2.5n/m或更小、2.0n/m或更小、1.5n/m或更小、1.0n/m或更小、0.90n/m或更小、0.80n/m或更小、0.70n/m或更小、0.60n/m或更小、0.50n/m或更小、0.45n/m或更小、0.40n/m或更小、0.35n/m或更小、0.30n/m或更小、0.25n/m或更小、0.20n/m或更小、0.15n/m或更小、0.14n/m或更小、0.13n/m或更小、0.12n/m或更小、0.11n/m或更小、0.10n/m或更小、0.09n/m或更小、0.08n/m或更小、0.07n/m或更小、0.06n/m或更小、或0.05n/m或更小)的单位长度张力。膜102的单位长度张力可在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之间。例如，膜102可具有0.0n/m至10.0n/m(例如，0.0n/m至8.0n/m、0.0n/m至5.0n/m、0.0n/m至3.0n/m、0.0n/m至1.0n/m、0.0至0.5n/m、0.0至0.3n/m、或0.03n/m至0.12n/m)的单位长度张力。该张力可使用原子力显微镜测得。

所述一个或多个波纹可例如具有1nm或更大(例如，2nm或更大、3nm或更大、4nm或更大、5nm或更大、6nm或更大、7nm或更大、8nm或更大、9nm或更大、10nm或更大、15nm或更大、20nm或更大、25nm或更大、30nm或更大、35nm或更大、40nm或更大、45nm或更大、50nm或更大、55nm或更大、60nm或更大、65nm或更大、70nm或更大、75nm或更大、或80nm或更大)的平均长度。在一些实例中，所述一个或多个波纹可具有100nm或更小(例如，95nm或更小、90nm或更小、85nm或更小、80nm或更小、75nm或更小、70nm或更小、65nm或更小、60nm或更小、55nm或更小、50nm或更小、45nm或更小、40nm或更小、35nm或更小、30nm或更小、25nm或更小、20nm或更小、15nm或更小、10nm或更小、9nm或更小、8nm或更小、7nm或更小、6nm或更小、或5nm或更小)的平均长度。所述一个或多个波纹的平均长度可在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之间。例如，所述一个或多个波纹可具有1nm至100nm(例如，1nm至90nm、1nm至80nm、1nm至70nm、1nm至60nm、5nm至50nm、10nm至40nm、或20nm至30nm)的平均长度。波纹的长度可例如使用电子显微镜测得。

在一些实例中，所述一个或多个波纹可具有0.1nm或更大(例如，0.11nm或更大、0.12nm或更大、0.13nm或更大、0.14nm或更大、0.15nm或更大、0.20nm或更大、0.25nm或更大、0.30nm或更大、0.35nm或更大、0.40nm或更大、0.45nm或更大、0.50nm或更大、0.60nm或更大、0.70nm或更大、0.80nm或更大、0.90nm或更大、1.0nm或更大、1.1nm或更大、1.2nm或更大、1.3nm或更大、1.4nm或更大、或1.5nm或更大)的平均高度。在一些实例中，所述一个或多个波纹可具有2.0nm或更小(例如，1.9nm或更小、1.8nm或更小、1.7nm或更小、1.6nm或更小、1.5nm或更小、1.4nm或更小、1.3nm或更小、1.2nm或更小、1.1nm或更小、1.0nm或更小、0.90nm或更小、0.80nm或更小、0.70nm或更小、0.60nm或更小、0.50nm或更小、0.45nm或更小、0.40nm或更小、0.35nm或更小、0.30nm或更小、0.25nm或更小、或0.20nm或更小)的平均高度。所述一个或多个波纹的平均高度可在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之间。例如，所述一个或多个波纹可具有0.1nm至2.0nm(例如，0.1nm至1.5nm、0.1nm至1.0nm、0.1nm至0.70nm、0.20nm至0.60nm、0.30nm至0.50nm、或0.35nm至0.45nm)的平均高度。波纹的高度可例如使用电子显微镜测得。

膜102可例如固定在基板104的一端或两端。在一些实例中，膜102构造为用于通过其中心部分振动。

基板104可例如包含铜、硅、碳化硅、蓝宝石或其组合。在一些实例中，基板104可包含网格，该网格包含一个或多个开孔。

以下讨论针对特定的实例，其中膜102包含石墨烯，并且基板104包含铜网格，但是相同的概念可适用于本文所述的任何膜102和/或基板104。

在某些实施例中，膜102可包括来自石墨的碳的单个原子平面作为其有源部件。一片石墨烯可置于一个或多个开孔的铜网格之上。以石墨烯覆盖的每个开孔可形成开放式框架几何结构，其间具有独立式石墨烯。当石墨烯置于铜网格上时，在石墨烯的边缘和铜网格侧壁之间存在强范德华相互作用(约0.1j/m²)(图1)。根据过量石墨烯的量，显示为zo的接触的长度将自然地增加或减少，直到力平衡为止。这种现象被称为自张紧。最终张力可为约0.1n/m，并且独立式石墨烯的最终几何结构可由波纹构成(图2)。这些波纹可自然形成，并且波纹的长度的典型尺寸分布为20nm至24nm，高度的典型尺寸分布为0.3nm至0.5nm。为了形成波纹，石墨烯必须能够自由地自压缩至最终的自张力。

与波纹几何结构相关的压缩应变是长度变化除以初始长度。压缩应变可例如为0.01％或更大(例如，0.02％或更大、0.03％或更大、0.04％或更大、0.05％或更大、0.06％或更大、0.07％或更大、0.08％或更大、0.09％或更大、0.1％或更大、0.2％或更大、0.3％或更大、0.4％或更大、0.5％或更大、0.6％或更大、0.7％或更大、或0.8％或更大)。在一些实例中，压缩应变可为1％或更小(例如，0.9％或更小、0.8％或更小、0.7％或更小、0.6％或更小、0.5％或更小、0.4％或更小、0.3％或更小、0.2％或更小、0.1％或更小、0.09％或更小、0.08％或更小、0.07％或更小、0.06％或更小、0.05％或更小、或0.04％或更小)。压缩应变可例如在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者的范围内。例如，压缩应变可在0.01％至1％(例如，0.01％至0.1％、0.1％至1％、0.01％至0.05％、0.05％至0.1％、0.1％至0.5％、0.5％至1％、或0.05％至0.5％)的范围内。

当石墨烯被拉伸时，可以对基板104和石墨烯组件施加拉伸载荷，并且改变波纹的形状。改变波纹的形状将改变压缩应变并且改变石墨烯自发地反转其曲率的速率。另选地，通过调节外部载荷，可改变膜102的振动的频率。

当保持在室温(例如300k)时，由于热能从铜网格的杆支撑部连续流动，独立式石墨烯可自发地振动。在原子水平上，当石墨烯膜102保持在室温时，每个碳原子具有等于kbt或约25mev的动能(0.5mv²，其中m为碳原子的质量，v是其速度)。这是一种丰富的能源，因为石墨烯的密度为4×10¹⁵个原子/cm²。电功率计算预测每个波纹可产生10pw的功率，相当于250,000w/m²，这使其与风能和太阳能生产类似。由于速度不是零，因此膜102内的原子处于不断运动状态。由于原子在网络中连接在一起，因此整个膜102形成波纹，并且有时这些波纹反转它们的曲率。每个波纹都有数千个原子，并且当曲率自身反转时，所有原子同相相干地一起运动，并且可收集这种能量。这一自然运动可用作能量收集装置100的有源部件，或者这一自然运动可用于驱动传统振动能量收集装置100的有源部件。

在一些实例中，膜102可具有一个波纹。在一些实例中，膜102可包含多个波纹，所述多个波纹可形成相互作用的波纹的网络。在一些实例中，尺寸为10微米×10微米的膜102可具有超过100,000个波纹。一个波纹的运动可影响附近其他波纹的运动，从而提供增强能量收集能力的反馈机制。

能量收集装置100进一步包括以电、磁和/或机械的方式耦接至膜102和/或基板104的部件106，使得部件106构造为用于收集来自膜102的能量。

在一些实例中，基板104导热并且膜102与基板104热接触，其中基板104的热能可被转换为膜102的振动，使得膜102具有振动能量，并且部件106构造为用于将膜102的振动能量转换为电能、磁能和/或机械能，从而收集来自膜102的能量。在一些实例中，热能可包括环境热能。

在一些实例中，膜102可具有振动能量，并且部件106构造为用于将膜102的振动能量转换为电能、磁能和/或机械能，从而收集来自膜102的能量。在一些实例中，振动能量包括环境振动能量。

振动能量可例如包括具有0.1毫赫或更大(例如，0.5mhz或更大、1mhz或更大、5mhz或更大、10mhz或更大、50mhz或更大、100mhz或更大、500mhz或更大、1hz或更大、5hz或更大、10hz或更大、50hz或更大、100hz或更大、500hz或更大、1千赫(khz)或更大、10khz或更大、50khz或更大、100khz或更大、500khz或更大、1兆赫(mhz)或更大、5mhz或更大、10mhz或更大、50mhz或更大、100mhz或更大、500mhz或更大、或1千兆赫(ghz)或更大)的频率的振动。在一些实例中，振动能量可包括具有10千兆赫(ghz)或更小(例如，5ghz或更小、1ghz或更小、500mhz或更小、100mhz或更小、50mhz或更小、10mhz或更小、5mhz或更小、1mhz或更小、500khz或更小、100khz或更小、50khz或更小、10khz或更小、5khz或更小、1khz或更小、500hz或更小、100hz或更小、50hz或更小、10hz或更小、5hz或更小、1hz或更小、500mhz或更小、100mhz或更小、50mhz或更小、10mhz或更小、或5mhz或更小)的频率的振动。振动能量的振动的频率可在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之间。例如，振动能量可包括具有0.1mhz至10ghz(例如，0.1mhz至1khz、1khz至10ghz、0.1mhz至1hz、1hz至1khz、1khz至1mhz、1mhz至10ghz、或5mhz至1ghz)的频率的振动。

在一些实例中，膜102能够连续振动，因为它可以利用较低频率并且不受噪声约束的环境能量。依次，该环境能量可由部件106利用并且转换为其他形式的能量，包括电能。

尽管传统的振动能量收集装置100需要宏观的外部驱动力以收集振动能量(例如，运动的汽车的振动)，但是在一些实例中，本文所述的能量收集装置100可由环境条件驱动。例如，本文所述的能量收集装置100可在安静的环境以及嘈杂的环境中收集能量。

在一些实例中，能量收集装置100可构造为使得所述一个或多个波纹中的每个能够产生1皮瓦(pw)或更大(例如，5pw或更大、10pw或更大、15pw或更大、20pw或更大、25pw或更大、30pw或更大、35pw或更大、40pw或更大、45pw或更大、50pw或更大、55pw或更大、60pw或更大、65pw或更大、70pw或更大、75pw或更大、80pw或更大、85pw或更大、或90pw或更大)的功率。在一些实例中，能量收集装置100可构造为使得所述一个或多个波纹中的每个能够产生100pw或更小(例如，95pw或更小、90pw或更小、85pw或更小、80pw或更小、75pw或更小、70pw或更小、65pw或更小、60pw或更小、55pw或更小、50pw或更小、45pw或更小、40pw或更小、35pw或更小、30pw或更小、25pw或更小、20pw或更小、15pw或更小、或10pw或更小)的功率。所述一个或多个波纹中的每个所产生的功率可在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之间。例如，能量收集装置100可构造为使得所述一个或多个波纹中的每个能够产生1pw至100pw(例如，1pw至50pw、50pw至100pw、1pw至30pw、20pw至40pw、40pw至60pw、60pw至80pw、80pw至100pw、10pw至90pw、或20pw至80pw)的功率。

在一些实例中，能量收集装置100可具有1瓦特每平方米(w/m²)或更大(例如，2w/m²或更大；3w/m²或更大；4w/m²或更大；5w/m²或更大；10w/m²或更大；50w/m²或更大；100w/m²或更大；500w/m²或更大；1,000w/m²或更大；5,000w/m²或更大；10,000w/m²或更大；或50,000w/m²或更大)的功率密度。在一些实例中，能量收集装置100可具有100,000w/m²或更小(例如，90,000w/m²或更小；80,000w/m²或更小；70,000w/m²或更小；60,000w/m²或更小；50,000w/m²或更小；10,000w/m²或更小；5,000w/m²或更小；1,000w/m²或更小；500w/m²或更小；100w/m²或更小；50w/m²或更小；10w/m²或更小；或5w/m²或更小)的功率密度。能量收集装置100的功率密度可在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之间。例如，能量收集装置100可具有1w/m²至100,000w/m²(例如，1w/m²至1,000w/m²；1,000w/m²至100,000w/m²；1w/m²至100w/m²；100w/m²至1,000w/m²；1,000w/m²至10,000w/m²；10,000w/m²至100,000w/m²；10w/m²至50,000w/m²；或100w/m²至10,000w/m²)的功率密度。

现在参考图3，在一些实例中，膜102可具有电荷，并且部件106包括设置在膜102的周围并且电耦接至膜102的电容器108，其中电容器108构造为用于将荷电膜102的振动能量转换为交流电流，从而收集来自膜102的能量。例如，荷电膜102(中心)的运动在附近的电容器板(上板和下板)108中感应出电流。该系统为基于驻极体的静电转换器，其基于可变间隙电容器设计。膜102上的固定电荷用作固定电压源，并且随着膜102运动，电容随时间发生变化，因为距离随时间发生变化。输出功率与电压平方乘以电容变化除以一个周期的时间变化成比例。驻极体实现了简单的机械能到电能的转换。

现在参考图4，在一些实例中，装置100可进一步包括二极管桥式电路110以将交流电流转换为直流电流。装置100可例如进一步包括电耦接至二极管桥110的电容器112，使得直流可对电容器112充电，从而存储由荷电膜102的振动能量产生的电荷。一旦充电，电容器112可例如用于为电子装置供电，例如用于无线传感器应用的单个周期。

在一些实例中，能量收集装置100可包括电磁感应装置。现在参考图5，在一些实例中，膜102可进一步包括多个磁性粒子114。所述多个磁性粒子114可例如包含铁、钴、铌、锰、镍或其组合。在一些实例中，所述多个磁性粒子114可包含氧化铁、氧化钴或其组合。

所述多个磁性粒子114可具有平均粒径。“平均粒度”和“平均粒径”在本文中可互换使用，并且通常是指颗粒群中颗粒的统计平均粒径。例如，基本上呈球形的多个颗粒的平均粒径可包括所述多个颗粒的平均直径。对于各向异性颗粒，平均粒径可以指例如颗粒的平均最大尺寸(例如，棒状颗粒的长度、立方体形状颗粒的对角线、三角形颗粒的平分线等)。平均粒径可使用本领域中已知的方法进行测量，例如通过扫描电子显微镜和/或透射电子显微镜进行评估。

在一些实例中，所述多个磁性粒子114可基本上为单分散的。如本文所用，“单分散”和“均匀尺寸分布”通常描述其中所有颗粒具有相同或几乎相同的尺寸的颗粒群。如本文所用，单分散分布是指其中80％的分布(例如，85％的分布、90％的分布或95％的分布)位于中值粒径的25％以内(例如，在中值粒径的20％以内、在中值粒径的15％以内、在中值粒径的10％以内、或在中值粒径的5％以内)的颗粒分布。

所述多个磁性粒子可包括任何形状的粒子(例如，球形、棒形、四边形、椭圆形、三角形、多边形等)。在一些实例中，所述多个磁性粒子114可具有各向同性的形状。在一些实例中，所述多个磁性粒子114可具有各向异性的形状。

所述多个磁性粒子114可例如具有0.5nm或更大(例如，0.6nm或更大、0.7nm或更大、0.8nm或更大、0.9nm或更大、1.0nm或更大、1.1nm或更大、1.2nm或更大、1.3nm或更大、1.4nm或更大、1.5nm或更大、1.6nm或更大、1.7nm或更大、1.8nm或更大、1.9nm或更大、2.0nm或更大、2.5nm或更大、3.0nm或更大、3.5nm或更大、4.0nm或更大、4.5nm或更大、5.0nm或更大、5.5nm或更大、6.0nm或更大、6.5nm或更大、7.0nm或更大、7.5nm或更大、或8.0nm或更大)的平均粒径。在一些实例中，所述多个磁性粒子114可具有10.0nm或更小(例如，9.5nm或更小、9.0nm或更小、8.5nm或更小、8.0nm或更小、7.5nm或更小、7.0nm或更小、6.5nm或更小、6.0nm或更小、5.5nm或更小、5.0nm或更小、4.5nm或更小、4.0nm或更小、3.5nm或更小、3.0nm或更小、2.5nm或更小、2.0nm或更小、1.9nm或更小、1.8nm或更小、1.7nm或更小、1.6nm或更小、1.5nm或更小、1.4nm或更小、1.3nm或更小、1.2nm或更小、1.1nm或更小、或1.0nm或更小)的平均粒径。所述多个磁性粒子114的平均粒径可在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之间。例如，所述多个磁性粒子114可具有0.5nm至10.0nm(例如，0.5nm至9.0nm、0.5nm至8.0nm、0.5nm至7.0nm、0.5nm至6.0nm、0.5nm至5.0nm、0.5nm至4.0nm、0.5nm至3.0nm,0.5nm至2.5nm、或1.0nm至2.0nm)的平均粒径。所述多个磁性粒子114的平均粒径可例如使用高分辨率透射电子显微镜进行测定。

在一些实例中，部件106可包括磁耦接至膜102的电极回路116，其中装置100构造为用于将膜102的振动能量转换为时变磁场，该时变磁场借由法拉第定律(faraday’slaw)在电极回路116中感应出电流，从而将膜102的振动能量转换为电流，并且收集来自膜102的能量。装置100可例如进一步包括电耦接至电极回路116的电容器，使得装置100收集的能量能够存储在电容器中。

现在参考图6，在一些实例中，部件106可包括压电悬臂118，并且膜102具有机械耦接至压电悬臂118的边缘，其中压电悬臂118构造为用于将膜102的振动能量转换为电能，从而收集来自膜102的能量。装置100可例如进一步包括电耦接至压电悬臂118的电容器，使得装置100收集的能量能够存储在电容器中。在一些实例中，压电悬臂118可包括传统振动能量收集装置100的元件，使得本文所述的能量收集装置100可用于经由互连的压电悬臂118为传统的振动能量收集装置100供电。

现在参考图7，在一些实例中，膜102可为压电膜，并且部件106包括以机械和电的方式耦接至膜102的电压读出器件120，其中压电膜102构造为用于将振动能量转换为电能，该电能可由电压读出器件120收集。在某些实例中，当压电膜102振动并且反转其曲率时，压电膜102的振动可产生交流电压。装置100可例如进一步包括电耦接至电压读出器件120的电容器，使得装置100收集的能量能够存储在电容器中。

现在参考图8a和图8b，在一些实例中，部件106可包括机械耦接至膜102和/或基板104的箱形泵122，其中箱形泵122包括控制流体入口的第一单向流体流量阀124和控制流体出口的第二单向流体流量阀126，并且其中箱形泵122构造为用于将膜102的振动能量转换为经由第一单向流体流量阀124和/或第二单流体流量阀126流过箱形泵122的流体流，从而将膜102的振动能量转换为流体流，并且收集来自膜102的能量。

在一些实例中，特定膜102中的工程特定通道几何结构以及互补的棘轮式部件可产生小型人造lévy电机。在某些实例中，可控制物体通过膜102的运动。现在参考图9a、图9b和图9c，在一些实例中，膜102可进一步包括横穿膜102的通道128。部件106可例如包括机械耦接至膜102的棘轮式运输器130，其中棘轮式运输器130构造为用于将膜102的振动能量转换为棘轮式运输器130的平移，使得棘轮式运输器130能够在膜102振动时经由通道128从膜102的一侧运送到膜102的另一侧，从而将膜102的振动能量转换为棘轮式运输器130的平移，并且收集来自膜102的能量。例如，当膜102反转其曲率时，具有工程化几何结构的物体(例如，棘轮式运输器130)可被拉过膜102并且无法返回另一侧。通过这种方式，该装置100可用于分离或纯化样品。

本发明还公开了传感器140，传感器140进一步包括以电、磁和/或机械的方式耦接至膜102和/或基板104的部件142，使得部件142构造为用于检测来自膜102的信号。

在一些实例中，基板104导热并且膜102与基板104热接触，其中基板104构造为用于将热能转换为膜102的振动，使得膜102具有振动能量，并且部件142构造为用于检测由膜102的振动能量产生的信号。热能可例如包括环境热能。

在一些实例中，膜102具有振动能量，并且部件142构造为用于检测由膜102的振动能量产生的信号。振动能量可例如包括环境振动能量。

振动能量可例如包括具有0.1毫赫或更大(例如，0.5mhz或更大、1mhz或更大、5mhz或更大、10mhz或更大、50mhz或更大、100mhz或更大、500mhz或更大、1hz或更大、5hz或更大、10hz或更大、50hz或更大、100hz或更大、500hz或更大、1千赫(khz)或更大、10khz或更大、50khz或更大、100khz或更大、500khz或更大、1兆赫(mhz)或更大、5mhz或更大、10mhz或更大、50mhz或更大、100mhz或更大、500mhz或更大、或1千兆赫(ghz)或更大)的频率的振动。在一些实例中，振动能量可包括具有10千兆赫(ghz)或更小(例如，5ghz或更小、1ghz或更小、500mhz或更小、100mhz或更小、50mhz或更小、10mhz或更小、5mhz或更小、1mhz或更小、500khz或更小、100khz或更小、50khz或更小、10khz或更小、5khz或更小、1khz或更小、500hz或更小、100hz或更小、50hz或更小、10hz或更小、5hz或更小、1hz或更小、500mhz或更小、100mhz或更小、50mhz或更小、10mhz或更小、或5mhz或更小)的频率的振动。振动能量的振动的频率可在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之间。例如，振动能量可包括具有0.1mhz至10ghz(例如，0.1mhz至1khz、1khz至10ghz、0.1mhz至1hz、1hz至1khz、1khz至1mhz、1mhz至10ghz、或5mhz至1ghz)的频率的振动。

例如，在传感器140的某些实施方式中，部件142能够可操作地与膜102连接，其中膜102将具有可操作的预定灵敏度以利用相对低频的振动。因此，部件142可构造为用于检测膜102的屈曲频率，并且当部件142检测到膜102的频率的预定变化时，例如基于附加质量的存在，由于装置的膜102的灵敏度，将确定并传输关于质量的检测输出。

现在参考图10，部件142可包括电耦接至膜102和/或基板104的电极144。电极144可例如位于邻近膜102并且电耦接至膜102和/或基板104。电极144可例如包括单个电极，并且可包括金属拾取电极。在一些实例中，传感器140可对准，使得电极144放置在膜102的下方。例如，电极144可构造为用于连续监测电压拾取频率，使得电极可检测电压拾取频率的任何变化和/或电压拾取的量值。

在一些实例中，电极构造为用于检测膜102的振动能量的频率，使得传感器构造为基于膜102的振动的频率的变化来检测膜102的质量变化。将额外质量添加至膜102时，其改变膜102的固有频率。校准实验将允许基于频率的变化来量化质量的变化。

在一些实例中，电极构造为用于检测来自膜102的电压信号的量值，使得传感器构造为基于检测到的电压信号的量值的变化来检测膜102的电荷变化。

制备方法

本发明还公开了制造本文所述的能量收集装置和传感器的方法。例如，制造本文所述的能量收集装置和/或传感器的方法可包括：压缩二维材料的片材以形成膜；将膜设置在基板上；以及以电、磁和/或机械的方式将部件耦接至膜和/或基板。

压缩二维材料的片材可例如包括在该片材上施加横向压缩力，如11和图12所示。横向压缩力可例如具有1纳牛顿(nn)或更大(例如，5nn或更大、10nn或更大、15nn或更大、20nn或更大、25nn或更大、30nn或更大、35nn或更大、40nn或更大、45nn或更大、50nn或更大、55nn或更大、60nn或更大、65nn或更大、70nn或更大、75nn或更大、80nn或更大、85nn或更大、或90nn或更大)的量值。在一些实例中，横向压缩力可为100nn或更小(例如，95nn或更小、90nn或更小、85nn或更小、80nn或更小、75nn或更小、70nn或更小、65nn或更小、60nn或更小、55nn或更小、50nn或更小、45nn或更小、40nn或更小、35nn或更小、30nn或更小、25nn或更小、20nn或更小、15nn或更小、或10nn或更小)。横向压缩力可在上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之间。例如，横向压缩力可为1nn至100nn(例如，1nn至50nn、50nn至500nn、1nn至20nn、20nn至40nn、40nn至60nn、60nn至80nn、80nn至100nn、5nn至95nn、10nn至90nn、或20nn至80nn)。

在一些实例中，二维材料的片材具有初始长度，并且二维材料的压缩片材具有压缩长度，例如如图13中示意性地示出，其中压缩长度比初始长度短0.01％至1％。

在一些实例中，膜的屈曲范围可为0.2nm或更大(例如，0.3nm或更大、0.4nm或更大、0.5nm或更大、0.6nm或更大、0.7nm或更大、0.8nm或更大、0.9nm或更大、1.0nm或更大、1.5nm或更大、2.0nm或更大、2.5nm或更大、或3.0nm或更大)。在一些实例中，膜的屈曲范围可为4.0nm或更小(例如，3.5nm或更小、3.0nm或更小、2.5nm或更小、2.0nm或更小、1.5nm或更小、1.0nm或更小、0.9nm或更小、0.8nm或更小、0.7nm或更小、0.6nm或更小、或0.5nm或更小)。屈曲范围可在从上文所述的最小值中的任一者至上文所述的最大值中的任一者之间。例如，屈曲范围可为0.2nm至4.0nm(例如，0.2nm至2.0nm、2.0nm至4.0nm、0.2nm至1.0nm、1.0nm至2.0nm、2.0nm至3.0nm、3.0nm至4.0nm、或0.5nm至3.5nm)。屈曲范围大体上等于所述一个或多个波纹的平均高度的两倍。机械屈曲为波纹的曲率的反转。

通过压缩如本文所公开的二维片材使膜形成预屈曲状态可减缓屈曲过程，使得膜能够相互作用并且利用较低频率的振动，诸如与环境条件相关的振动。如果使用无应变方法将膜设置在基板上，则膜可自压缩为预屈曲状态。例如，借助铜上的石墨烯，可使用氯化铁液体溶液蚀刻掉铜。在去除铜之后，石墨烯可保持漂浮在溶液的表面上。接下来，可将石墨烯从溶液中提起并置于包含网格的基板上。压缩或扩展网格可改变波纹的尺寸，并且改变自发曲率反转的固有频率。

使用方法

本发明还公开了使用本文所述的能量收集装置和/或传感器的方法。例如，本发明还公开了使用本文所述的能量收集装置收集能量的方法。

本文所述的能量收集装置可例如包含到用于提取能量的各种系统、装置和方法中，包括放电传感器、力和质量传感器以及自供电装置。根据某些示例性实施例的包含本文所述的一个或多个能量收集装置的系统、装置和方法可利用独立式二维膜的原子级波动的动力学。膜可包含随机的平面外运动，其表现出异常动力学和lévy游走的动力学变量特征的长尾平衡分布。例如，可使用扫描隧道显微镜(stm)来控制波动的膜。

应当理解，本发明所公开的技术的能量收集装置及相关系统和方法所涉及的任何部件或模块可一体形成或彼此单独形成。此外，可实现部件或模块的冗余的功能或结构。本文所述的任何特征以及本文所述的这些特征的部件可具有所有形状以提供并且满足环境需求、结构需求和操作要求。此外，各个部件的位置和对准可根据需要或要求而变化。

上文所述的内容包括一个或多个实施例的实例。当然，出于描述前述实施例的目的，不可能描述部件或方法的每个可设想的组合，但是本领域的普通技术人员可以认识到各种实施例的许多其他组合和排列是可能的。因此，所述实施例旨在涵盖落入本公开及本文所附的权利要求的精神和范围内并且将在非临时专利申请中提交的所有此类更改、修改和变化。

实例

以下实例用于示出根据本发明所公开的主题的方法和结果。这些实例并非旨在包括本文所公开的主题的所有方面，而是示出代表性的方法和结果。这些实例并非旨在排除对本领域的技术人员显而易见的本发明的等同物和变型。

已经努力确保数字(例如，数量、温度等)的准确性，但是应该考虑一些误差和偏差。除非另有说明，否则份数为重量份，温度为℃或处于环境温度，并且压力为大气压或接近大气压。反应条件存在多种变型和组合，例如，组分浓度、温度、压力以及可用于优化由所述方法获得的产物纯度和产率的其他反应范围和条件。只需要通过合理的常规实验即可优化此类工艺条件。

实例1

本文描述了使用扫描隧道显微镜对独立式石墨烯中的原子的平面外(垂直)运动进行亚纳米级、高带宽测量。通过长时间跟踪垂直位置，与当前先进的成像技术相比，使原子级薄膜的时空动力学测量能力提高了1000倍。观察到石墨烯膜的垂直运动表现出罕见的长尺度偏移，其特征在于异常的均方位移和cauchy-lorentz幂律跳跃分布。

随机过程在本质上无处不在。对此类随机过程的研究在现代物理学的发展中起到了关键作用，并提供了物质的原子性质的第一个证据。langevin通过设想粒子的随机微分运动方程，开创了布朗运动的真正动力学理论。该模型通常称为ornstein-uhlenbeck模型，预测均方位移，msd(τ)∝τ，随时间呈指数衰减的速度自相关函数(vcaf)以及maxwell-boltzmann平衡速度分布(litetal.science2010,328,1673)。测量精度和分辨率的最新进展将布朗运动的框架扩展到前所未有的时空尺度和更广泛的系统，其中包括光晶格中的原子扩散和液体中的自旋扩散(stapfsetal.phys.rev.lett.1995,75,2855；katorihetal.phys.rev.lett.1997,79,2221)。对此类系统的研究提供了有关引起随机性的机制和相互作用的见解。例如，粒子可在一个小的邻域中进行经典的布朗运动，但随后突然移动一大段距离至新的邻域，在该邻域中恢复经典运动。这是lévy游走的关键，它具有有限的速度和有限的等待时间，其中运动的高速段和跃长形成长尾幂律分布(shlesingermfetal.nature(london)1993,363,31；metzlerrandklafterj.phys.rep.2000,339,1)。假设lévy游走存在于各种系统中，包括经济学、生物医学信号、气候动力学以及甚至动物觅食中。现在据信，即使在信息寻觅理论中，优化的搜索算法也应当利用具有无穷方差的lévy稳定分布(viswanathangmetal.nature(london)1999,401,911)。

膜波动的特征在于运动垂直于膜的表面，也落在布朗运动的范围内。生物膜，其中热波动有助于化学物质穿过通道传输到细胞内部(kosztiniandschultenk.phys.rev.lett.2004,93,238102)，已通过核磁共振光谱学和光学显微镜进行了实验研究(bociandfandchansi.annu.rev.phys.chem.1978,29,307；pecreauxjetal.eur.phys.j.e2004,13,277)。此外，膜结构和动力学的现代理论，包括弹性以及由langevin方程描述的随机效应，预测了膜的局部波动的maxwell-boltzmann分布(najiaetal.phys.rev.lett.2009,102,138102；reister-gottfriedeetal.phys.rev.e2010,81,031903)。

独立式石墨烯可以是一种结晶膜，可在超高真空(uhv)环境中使用扫描隧道显微镜(stm)在原子尺度上探测而不发生降解。使用这种方法，表明石墨烯膜中的波纹可使用ising模型通过将向上(向下)弯曲的波纹映射为ising自旋的向上(向下)状态来描述(schoelzjketal.phys.rev.b2015,91,045413)。这些研究中缺少的部分是对动态波动的测量。本文使用扫描隧道显微镜以亚纳米分辨率来跟踪波动的石墨烯膜的单个碳原子尺寸区域的运动。膜进行布朗运动，其中罕见的大高度偏移指示lévy游走。此外，膜速度遵循长尾cauchy-lorentz幂律分布，而不是maxwell-boltzmann分布。

将在ni(多层石墨烯小于10％)上商业化生长的单层石墨烯直接转移到2000目超细铜网格，该网格具有7.5μm宽的方孔格子，其中杆支撑部为5μm宽。扫描电子显微镜(sem)图像表明石墨烯覆盖了90％的铜网格(图17)。利用在室温下操作的omicron超高真空(基准压力为10^-10mbar)低温扫描隧道显微镜进行高度测量。石墨烯膜在支架上朝向样品板安装，这样扫描隧道显微镜尖端通过网格的孔接近，以便提供更稳定的支撑。整个扫描隧道显微镜腔体依靠有源、噪声消除、隔振系统，并且使用具有隔离的建筑物接地的大型电池组供电，以实现极低的电噪声。

使用在内部制造的扫描隧道显微镜尖端，在恒定电流(反馈开启)隧道条件下采集数据，并且将形貌扫描设置为点模式(无x或y扫描)。该系统适于允许16位数据连续记录实际隧道电流和尖端高度，记录速率为800hz，时间跨度为10⁴s，每个通道产生8×10⁶个数据点。独立监测扫描隧道显微镜尖端-样品漂移，结果表明该漂移为非随机的，并且小于1nm/hr。在涵盖几个数量级的隧道电流(0.01–10na)和偏置电压(0.01–10v)的固定成像条件下从多个膜采集数据，全部操作均在室温下完成。当以原子分辨率对石墨烯表面成像时，仅观察到在微米尺度上无缺陷的单层石墨烯。

实验设置的示意图如图18所示。安装在压电管扫描器的端部的偏置扫描隧道显微镜尖端从下方接近电接地的独立式石墨膜。图19中示出扫描隧道显微镜设定值(i＝0.1na,v＝0.1v)的z(t)的典型时间序列。对于点模式扫描隧道显微镜而言，膜运动的范围(约10nm)非常大，并且为了比较，还显示了从刚性样品获得的典型扫描隧道显微镜迹线。z(t)的如此大的值看起来是合理的，因为无支撑的石墨烯膜形成波纹状结构，其在大量能量等效构型之间连续转换(meyerjcetal.nature(london)2007,446,60；losjhetal.phys.rev.b2009,80,121405(r))。图19的插图显示了膜高(以δo＝0.022nm为单位)作为时间的函数(以τo＝1.250ms为单位)的放大图，其中两次连续跳跃之间(即，高度的变化)的典型时间标记为τk。计算该数据的等待时间概率分布，其遵循简单的指数关系，表明它是一种poisson过程。图20中测得的隧道电流对应于图19中所示的数据，保持远低于饱和水平并且远高于零，即使膜高发生显著变化时也是如此。对于所有数据而言，尖端-样品距离变化对膜高z(t)的贡献可忽略不计。另外，实测高度与隧道电流之间的互相关系数小于0.05。

从时间序列z(t)中，根据以下公式计算均方位移：msd(τ)≡<[z(t+τ)-z(t)]²>，其结果如图21所示。这些数据在时间方面涵盖近7个数量级，其特征在于msd(τ)～τα的幂律依赖性，其中α≠1为异常扩散指数。对于该数据，短时间运动的特征在于α＝1.4(超扩散运动)，然后是α＝0.3(次扩散运动)的范围。在不同的隧道设定值下获得的其他数据集中，观察到相同的指数。随机游走模拟，使用指数等待时间和cauchy跃长，产生具有短时间超扩散和长时间次扩散的msd，如图21所示。cauchy分布的实验证据也来自膜速度。

从图19中所示的z(t)的时间序列数值计算出的瞬时膜速度表现出具有短时记忆的高度不规则的行为[图22的插图]。图22所示的速度自相关函数vacf(τ)≡<u(t)u(t+τ)>迅速下降，在0.1s左右变为负值，指示液态行为，最终衰减为零(在10000s长时测量的0.5s内)，表明膜速度波动快速解相关。这一观察结果表明，使用扫描隧道显微镜测量平衡速度分布是可能的，这得到了使用扫描隧道显微镜开展的其他单原子扩散研究的支持(swartzentruberbs.phys.rev.lett.1996,76,459)。

图23显示了根据图19所示的数据计算出的膜速度概率分布函数(pdf)。实线曲线是具有零平均速度的最佳拟合cauchy-lorentz分布，vo＝0并且fwhm2γ：

速度分布在零处达到峰值并且在零处对称，与膜向上或向下运动的相等的可能性(即，在存在扫描隧道显微镜尖端时的平衡运动)一致，并且指示系统处于偏置电压设定值的弹性极限内。

即使观察到高达500nm/s的膜速度，所有速度中的98％均在-15nm/s至15nm/s的范围内(图23)。图23中的虚线曲线为最佳拟合gaussian曲线。图23中的数据清楚地遵循cauchy-lorentz分布而不是gaussian分布，对于大于10nm/s的速度而言尤其如此。三个数据点(方块)对应的是图19中所示的刚性样品数据，其在图23中为了比较示出。图24显示了涵盖多个数量级的隧穿电流的膜速度概率分布函数数据，以及最佳拟合cauchy-lorentz分布。这些速度分布从扫描隧道显微镜数据获得，这些数据随着隧道电流的增加而取自样品上的新位置。最引人注目的结论是，在所有情况下，膜速度遵循cauchy-lorentz分布(即，具有无穷方差并且稳定性指数为1的lévy稳定分布)远优于gaussian分布。

从图24中还可看出，速度分布随着隧道电流的增加而变宽。相同的趋势在图25中很明显，该图显示了在该研究的整个范围内速度概率分布函数的fwhm随隧道电流设定值的变化。由于扫描隧道显微镜隧道电流向膜提供了更多动能，因此分布的变宽与焦耳加热一致(neek-amalmetal.nat.commun.2014,5,4962)。

弹性理论预测了独立式石墨烯的振动模式；然而，该理论未提供关于在压缩2d膜中发现的波纹的无序网络下的随机过程的信息。原子模拟可提供对观察到的现象的见解。对于本文的分子动力学(md)模拟，制备含有10000个碳原子并且使边界原子固定的预屈曲的向下弯曲的正方形膜(15×15nm²)。在lammps中使用airebo电势进行真空模拟。使用nosé-hoover恒温器保持恒定温度，并且使用1fs的时间步长对运动方程进行积分。首先从初始配置开始平衡系统0.5ns，然后使用从1ns的生产运行得到的后续轨迹进行分析。

中心原子在低温(100k)下以10⁶个时间步长(1步/fs)的运动，在固定边界原子上方0.35nm的总高度处出现0.1nm的高度波动，如图26所示。在较高温度(3000k)下，发生明显不同的情况。在同一时间尺度，随机运动导致整个膜从固定边界原子上方到固定边界原子下方的镜像屈曲。图28和图29显示了在图26中标记为(c)和(d)的相反构型的膜的两个快照。从向下弯曲到向上弯曲的长偏移指示lévy游走。实际上，如果图26中的数据在短时间间隔内取平均值以消除快速波动[图26中的黑色曲线]，将获得cauchy跃长分布，如图27所示。石墨烯的极高频率运动的时间平均正是扫描隧道显微镜测量将产生的。对于中心原子的空间平均也获得类似的cauchy分布，这在具有大于1nm的分辨率的任何实际测量中也会自然地发生。一种另外的模拟如图30所示。此处，系统似乎在模拟的后半部分自发地振荡。

这一大尺度运动是石墨烯局部改变其总体曲率的结果(例如，从向下弯曲到向上弯曲的过渡)，而小尺度运动则是膜的简单振动而不发生膜的曲率的反转。可在高温模拟中跟踪这一现象是如何发生的：随机上下运动有时在同一方向上叠加在一起，从而导致在固定边界原子的另一侧的另一种平衡构型的较长偏移。鉴于在3000k下，4个此类事件在1ns内发生，可以预测这些事件将在室温下扫描隧道显微镜测量时多次发生(mrandvoteraf.j.chemphys.2000,112,9599)。因此，数据表明在不存在温度梯度的情况下，可以发生自发的镜像屈曲。

这些测量揭示了膜波动中未探索的空间域和时间域，对于膜的基本理解和技术应用具有深远的意义。获得适当理解后，可以有效地利用随机膜波动。例如，从大型系统的连续运动中收集能量是随机纳米谐振器的重要应用(gammaitoniletal.rev.mod.phys.1998,70,223)。

通过调节速度分布(例如，通过改变隧道电流)，可激活某些过程并且停用其他过程。此外，在膜弯曲时，将改变局部应变、化学反应性和电荷分布，从而使系统做功。膜中的工程特定通道几何结构以及互补的棘轮式部件可形成小型人造lévy电机(haenggipandmarchesonif.rev.mod.phys.2009,81,387)。最后，对膜动力学的理解的进步可帮助控制物体在膜上的运动，这对于蛋白质功能以及人工材料的自组织至关重要。

总之，使用点模式扫描隧道显微镜和分子动力学模拟研究了独立式石墨烯膜的原子级波动的动力学。测量结果揭示了膜的随机平面外运动的丰富性，其表现出异常动力学和lévy游走的动力学变量特征的长尾平衡分布。还证明了使用扫描隧道显微镜可以控制波动膜的随机特性。这与通过原子级分辨率观察运动的能力相结合，提供了研究新布朗运动机制和测试各种异常运输模型的系统。总而言之，在实验上和理论上证明2d材料中的屈曲事件可产生具有可调的lévy游走的人造晶体膜。最终，该研究提供了预测、控制甚至尽量减小各种系统中大范围突变的发生的方法。

实例2

扫描隧道显微镜也可用于及时测量独立式石墨烯随时间的高度变化[图14]。根据该信息，可计算不同时间下的速度以生成速度概率分布函数(pdf)。速度pdf可呈现出非gaussian形状并且具有异常大的速度。另外，可通过计算高度-时间数据的自相关函数来找出高度-时间的模式[图15]，并且可通过计算功率谱密度[图16]找出主导频率，结果表明可发生超低频率。

本发明所固有的其他明显的优点对本领域的技术人员是显而易见的。应当理解，某些特征和子组合是实用的，并且可以在不参考其他特征和子组合的情况下使用。这是权利要求书所设想的，并且处于权利要求书的范围内。由于可以在不脱离本发明的范围的情况下实施本发明的许多可能的实施例，因此应当理解，在本文中阐述或在附图中示出的所有内容都应被理解为例示性的，而不具有限制意义。

所附权利要求书的方法不限于本文所述的具体方法的范围，这些方法旨在说明权利要求的一些方面，并且功能上等效的任何方法都旨在落入权利要求的范围内。除本文示出和描述的那些方法以外，对方法的各种修改都旨在落入所附权利要求书的范围内。此外，虽然仅具体描述了本发明所公开的某些代表性方法步骤，但是即使没有具体叙述，方法步骤的其他组合也旨在落入所附权利要求书的范围内。因此，本文可以明确地提及步骤、元件、部件或成分的组合或更少，但是，即使未明确说明，也包括步骤、元件、部件和成分的其他组合。