Anschlussprojekte | Sonderprojekte

Förderbeginn 01.01.2010

Integrierte Signalwandlung nanoelektromechanischer Resonatoren hoher Güte

Prof. Dr. Eva Weig
Ludwig-Maximilians-Universität München
Fakultät für Physik - Nanophysics Group

Prof. Andrew Cleland
University of California, Santa Barbara
Department of Physics


Nanomechanische Systeme sind vielversprechende Kandidaten für Anwendungen als elektrische Filter oder in der Sensorik. Grundvoraussetzung hierfür sind Antriebs- und Detektionsmechanismen, die einerseits einen breitbandigen Betrieb gewährleisten, andererseits keine zusätzliche Energiedissipation verursachen und so eine hohe mechanische Güte ermöglichen. Dieses Projekt beschäftigt sich mit der Entwicklung eines hybriden nanomechanischen Resonatorsystems, welches eine hochempfindliche Anregung und Detektion mit hoher Bandbreite ermöglicht. Dies soll durch die Kombination der in der Gruppe von E. M. Weig untersuchten Nanoresonatoren hoher Güte auf Basis von zugverspanntem Siliziumnitrid mit den in der Gruppe von A. N. Cleland entwickelten, in Dünnschichttechnologie hergestellten akustischen Volumenresonatoren als hochempfindliche Sensoren erreicht werden. Neben numerischen Simulationen sollen Prototypen nanomechanischer Resonatoren entwickelt und charakterisiert werden.

Abschlussbericht
Nanoelektromechanische Systeme (NEMS) werden derzeit als vielversprechende Kandidaten für neuartige Bauteile für elektrische Filterandwendungen, Sensorik und Signalwandlung diskutiert. Ihre Leistung kann durch die Entwicklung integrierter und gleichzeitig breitbandiger Methoden zur Detektion der mechanischen Antwort des NEMS deutlich verbessert werden. Insbesondere sind dabei Detektionsmethoden gefragt, die die intrinsisch hohe mechanische Güte der mechanischen Mode erhalten. In diesem Projekt haben wir einen hybriden Ansatz zur Auslenkungsdetektion eines Resonators auf Basis eines Dünnfilm-Piezoelektrikums verfolgt, welcher sowohl optisch als auch elektrisch kontrolliert werden kann. Hierzu wurden akustische Volumenresonatoren aus dem Piezoelektrikum Aluminiumnitrid (AlN) gefertigt und auf ihrer Ober- und Unterseite mit Aluminiumelektroden kontaktiert. Das mechanische Modenspektrum dieser Piezo-Resonatoren wurde in einem extrem breiten Frequenzbereich charakterisiert, der sich von niederfrequenten Biegemoden im kHz-Bereich bis hin zu hochfrequenten akustischen Volumenmoden im GHz-Bereich erstreckte. Besonderes Augenmerk galt dabei den bislang nur wenig erforschten niederfrequenten Biegemoden des Volumenresonators, die durch die piezoelektrische Antwort des AlN angetrieben und optisch in einem breitbandigen Laserinterferometer ausgelesen wurden. Unter Vakuum und bei Raumtemperatur konnten 20 verschiedene mechanische Moden mit Gütefaktoren zwischen 400 und 1000 im Frequenzbereich von 200 kHz bis 45 MHz beobachtet werden. Die Auslenkungsempfindlichkeit des Aufbaus erlaubte es, die thermische Bewegung der fundamentalen Biegemode aufzulösen und somit deren mechanische Antwort sowohl aktiv also auch passiv aufzuzeichnen. Das Montieren der Probe auf einem Nano-Positionierungssystem erlaubte es darüber hinaus, das räumliche Auslenkungsprofil der beobachteten Moden aufzulösen. Dabei wurde eine gute Übereinstimmung mit numerisch mittels Finite Elemente Methoden berechneten Auslenkungsprofilen festgestellt. Weiterführende Experimente werden sich einerseits darauf konzentrieren, die beschriebenen Messungen auch bei höheren Frequenzen durchzuführen, und andererseits die mechanische Bewegung direkt über die piezoelektrische Antwort des Bauteils auszulesen.