Gradient field transduction of nanomechanical resonators [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Quirin P. Unterreithmeier

Unterreithmeier, Quirin

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• Physik

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 12
• Langue: Deutsch
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Extrait

Gradient Field Transduction of
Nanomechanical Resonators
Dissertation
an der Fakult at fur Physik
der Ludwig{Maximilians{Universit at
Munc hen
vorgelegt von
Quirin P. Unterreithmeier
aus Augsburg
Munc hen, August 2010Gradient Field Transduction of
Nanomechanical Resonators
Dissertation
an der Fakult at fur Physik
der Ludwig{Maximilians{Universit at Munc hen
vorgelegt von
Quirin P. Unterreithmeier
aus Augsburg
Munc hen, August 2010Erstgutachter: Prof. Dr. J. P. Kotthaus
Zweitgutachter: Prof. Dr. W. Zwerger
Tag der mundlic hen Prufung: 21.10.2010"On ne nit pas un uvre, on l’abandonne."
Gustave FlaubertZusammenfassung
Das Forschungsgebiet nanomechanischer Systeme betrachtet die Bewegung von Struk-
turen, deren L ange in mindestens einer Richtung deutlich unter einem Mikrometer
liegt. Meist werden dabei Auslenkungen untersucht, die in der N ahe einer mecha-
nischen Resonanz angetrieben werden. Das wissenschaftliche Interesse an solchen
Strukturen hat mehrere Grunde: aufgrund der kleinen Masse und oftmals gerin-
gen D ampfung (d.h. hohe Gute) reagieren solche nanomechanischen Systeme sehr
emp ndlich auf Anderungen ihrer Umgebung oder ihrer eigenen Eigenschaften wie
etwa ihrer Masse. Die gro e Vielfalt der nanomechanischen Systeme erlaubt die
Kopplung an verschiedenste physikalische Gr o en wie (Umgebungs-)Druck, Licht,
elektrische/magnitische Felder. Dies erm oglicht, die Wechselwirkung selbst zu un-
tersuchen oder entsprechende Anderungen emp ndlich zu detektieren.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Resonator Bewegung von doppel-
seitig eingespannten Balken untersucht; diese wurden mit konventioneller Mikrofab-
rikation aus verspanntem Silizium-Nitrid gefertigt. Die gro e Zugspannung in den
Balken fuhrt zu einer hohen mechanischen Stabilit at und ebenso zu hohen mecha-
nischen Guten.
Ein Teil der Arbeit befasste sich mit der Entwicklung neuer Detektions- und
Antriebsmechanismen. Unter Ausnutzung der Polarisierbarkeit des Resonators wurde
ein lokaler Antrieb realisiert, der sich durch besondere Einfachkeit auszeichnet.
Ebenso wurden Fortschritte in der optischen Detektion erzielt. Ein Photodetek-
tor konnte innerhalb einer optischen Wellenl ange Abstand zum Resonator plaziert
werden; dies erm oglicht die lokale Detektion seiner Bewegung.
Hochemp ndliche Messungen nutzen oft optische Resonanzen; bisherige Umset-
zungen basieren auf Re exionen und sind daher auf Objekte beschr ankt, die gr o er
als die verwendete Wellenl ange sind. In einer Zusammenarbeit mit Prof. Kippen-
berge konnte diese Beschr ankung umgangen werden, indem gefuhrtes Licht in einem
Mikro-Toroiden verwendet wurde.
Weiter wurde in der Arbeit die resonante Bewegung selbst untersucht. Im Bereich
hoher Amplituden zeigt die ruc ktreibende Kraft nichtlineares Verhalten. Das sich
dadurch ergebende bistabile Verhalten des Resonators wurde mit Hilfe von kurzen,
resonanten Pulsen untersucht; schnelles Schalten wurde erreicht.
Die mechanische D ampfung der Siliziumnitrid Resonatoren wurde untersucht.
Die hohen Guten von Systemen unter Zugspannung konnte erkl art werden durchdie sich ergebende erh ohte gespeicherte elastische Energie; im Gegensatz zu einem
ver anderten D ampfungsverhalten.
viiiAbstract
In the eld of nanomechanical systems the mechanical motion of objects is studied
that have at least one dimension that is well below 1 m. In most yet not all cases
the displacement is studied when exciting near a mechanical resonance. They at-
tract scienti c attention for several reasons: because of their small masses and their
often little mechanical damping, that is high mechanical quality factors, these sys-
tems sensitively react to changes in their environment as well as to changes of their
own properties such as their mass. In addition, the huge variety of nanomechan-
ical systems facilitates the optimization of coupling these to very diverse physical
quantities such as ambient pressure, (visible) light, electro/magnetostatic elds and
mass. This enables to either study the interaction itself or to measures such changes
with high precision.
In the framework of this thesis the resonant motion of a doubly clamped beam
was investigated that was fabricated by conventional top-down lithographic meth-
ods from pre-stressed silicon nitride. The mechanical beams are therefore under
high tensile stress resulting in an exceptional structural stability as well as high
mechanical quality factors.
As part of this thesis new transduction mechanisms were developed. The polar-
izability of the resonator has been utilized to create a local and widely applicable
dielectric transduction scheme. Several advances have been achieved concerning the
interferometric detection of nanomechanical displacement. Creating a photodetec-
tor within a distance on the order of an optical wavelength to the resonator enabled
the local optical detection of its motion.
In order to increase the detection sensitivity optical resonances are employed;
previous implementations however su er from their restriction to objects larger than
the wavelength because they rely on specular re ection. In a cooperation with the
group of Prof. Kippenberg a setup was realized that overcomes this limitation using
near- eld coupling to guided light circulating in micro-toroid.
Apart form the task of transduction, the resonant motion of the nanomechanical
beams itself was investigated: oscillating at high amplitudes, the restoring force
exhibits nonlinear terms. In the resulting bistable regime, additional short pulses are
utilized to map the stability diagram and enable fast switching of a nanomechanical
memory element.
The mechanical damping of the fabricated silicon nitride resonators has been
?studied. In particular the high quality factors exhibited by the pre-stressed nanobeams
could be deduced to be a result of the increased stored elastic energy with pre-stress
rather than a large modi cation of the damping characteristics.
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