At drive ydeevnen for nanosystemer til det yderste

Et fælles CEA / University of Grenoble-Alpes forskerteam, sammen med internationale partnere, har udviklet en diagnostisk teknik, der er i stand til at identificere ydelsesproblemer i nanoresonatorer, en type nanodetektor, der bruges inden for forskning og industri. Disse nanoelektromekaniske systemer, eller NEMS, har aldrig været vant til deres maksimale kapacitet. Detektionsgrænserne observeret i praksis har altid været et godt stykke under den teoretiske grænse og, indtil nu, denne forskel er forblevet uforklarlig. Ved hjælp af en helt ny tilgang, det er nu lykkedes forskerne at evaluere og forklare dette fænomen. Deres resultater, beskrevet i 29. februar -udgaven af Naturnanoteknologi , skulle nu gøre det muligt at finde måder at overvinde denne mangel på præstationer.

NEMS har mange applikationer, herunder måling af masse eller kraft. Som en lille violinsnor, en nanoresonator vibrerer ved en præcis resonansfrekvens. Denne frekvens ændres, hvis gasmolekyler eller biologiske partikler sætter sig på nanoresonatoroverfladen. Denne ændring i frekvens kan derefter bruges til at opdage eller identificere stoffet, muliggør en medicinsk diagnose, for eksempel. De ekstremt små dimensioner af disse enheder (mindre end en milliontedel af en meter) gør detektorerne meget følsomme.

Imidlertid, denne opløsning er begrænset af en detektionsgrænse. Baggrundsstøj er til stede ud over det ønskede målesignal. Forskere har altid betragtet denne baggrundsstøj som en iboende egenskab ved disse systemer (se figur 2). På trods af at støjniveauet er betydeligt større end forudsagt af teori, umuligheden af ​​at forstå de underliggende fænomener har, indtil nu, fik forskningsmiljøet til at ignorere dem.

CEA-Leti-forskergruppen og deres partnere gennemgik alle målinger af frekvensstabilitet i litteraturen, og identificerede en forskel på flere størrelsesordener mellem de accepterede teoretiske grænser og eksperimentelle målinger.

Ud over at evaluere denne mangel, forskerne udviklede også en diagnostisk teknik, der kunne anvendes på hver enkelt nanoresonator, ved hjælp af deres egne monokrystallinske siliciumresonatorer med høj renhed til at undersøge problemet.

Resonansfrekvensen for en nanoresonator bestemmes af resonatorens geometri og typen af ​​materiale, der bruges til fremstillingen. Det er derfor teoretisk fast. Ved at tvinge resonatoren til at vibrere ved definerede frekvenser tæt på resonansfrekvensen, CEA-Leti-forskerne har været i stand til at demonstrere en sekundær effekt, der forstyrrer systemets opløsning og dets detektionsgrænse ud over baggrundsstøj. Denne effekt forårsager små variationer i resonansfrekvensen. Disse udsving i resonansfrekvensen skyldes disse systemers ekstreme følsomhed. Selvom den er i stand til at registrere små ændringer i masse og kraft, de er også meget følsomme over for små variationer i temperatur og bevægelser af molekyler på deres overflade. På nanoskalaen, disse parametre kan ikke ignoreres, da de pålægger en væsentlig grænse for ydeevnen af ​​nanoresonatorer. For eksempel, en lille ændring i temperaturen kan ændre parametrene for enhedens materiale, og derfor dens frekvens. Disse variationer kan være hurtige og tilfældige.

Den eksperimentelle teknik, der er udviklet af teamet, gør det muligt at evaluere tabet af opløsning og at afgøre, om det er forårsaget af systemets iboende grænser eller af en sekundær svingning, der derfor kan korrigeres. Der er ansøgt om patent på denne teknik. Forskergruppen har også vist, at ingen af ​​de teoretiske hypoteser, der hidtil er kommet for at forklare disse udsving i resonansfrekvensen, i øjeblikket kan forklare det observerede variationsniveau.

Forskergruppen vil derfor fortsætte eksperimentelt arbejde med at undersøge den fysiske oprindelse af disse udsving, med det formål at opnå en væsentlig forbedring af ydeevnen for nanoresonatorer.