On-chip torsionsbalance med femtonewton kraftopløsning ved stuetemperatur

Torsionsbalancen indeholder en stiv balancebjælke ophængt af en fin tråd som et ældgammelt videnskabeligt instrument, der til dato fortsætter med at danne en meget følsom kraftsensor. Kraftfølsomheden er proportional med længderne af bjælken og gevindet og omvendt proportional med den fjerde potens af gevindets diameter; derfor, nanomaterialer, der understøtter torsionsbalancerne, bør være ideelle byggesten. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Videnskabens fremskridt , Lin Cong og et forskerhold i kvantefysik, mikroelektronik og nanomaterialer i Kina har detaljeret et vridningsbalancearray på en chip med det højeste følsomhedsniveau. Holdet lettede dette ved at bruge et carbon nanorør som tråden og et monolags grafen belagt med aluminiumsfilm som bjælke og spejl. Ved at bruge den eksperimentelle opsætning, Cong et al. målte femtonewton-kraften udøvet af en svag laser. Balancerne på chippen tjente som en ideel platform til at undersøge fundamentale interaktioner op til zeptonewton i nøjagtighed.

En moderne rolle for gamle videnskabelige instrumenter

Torsionspendulet er et ældgammelt videnskabeligt instrument, der blev brugt til at opdage Coulombs lov i 1785 og til at bestemme Jordens tæthed i 1798. Instrumentet er nyttigt på tværs af en række anvendelser, herunder eksisterende videnskabelige udforskninger af præcis bestemmelse af gravitationskonstanten. Den mest effektive metode til at opnå høj følsomhed i opsætningen er ved at reducere diameteren på ophængsgevindet så meget som muligt. For eksempel, i 1931, Kappler et al. brugt en centimeter lang tråd til at udvikle en meget følsom torsionsbalance for at sætte rekord for en hidtil uopnået indre kraftfølsomhed. På nuværende tidspunkt kulstof nanorør udgør et af de stærkeste og tyndeste materialer, man kender. I dette arbejde, holdet syntetiserede ultralange carbon nanorør (CNT'er) og grafen med stort areal for at øge længden af ​​balancestrålen og ophængstråden væsentligt for at forbedre instrumentets følsomhed betydeligt. Enhedsudviklingsmetoden var kompatibel med halvlederbehandling til inkorporering i et 4 gange 4 array på en chip.

Under designprocessen, Cong et al. udvalgte et individuelt carbon nanorør med en diameter på nogle få nanometer til at danne tråden, til ophæng som en ultralet stråle lavet af monolagsgrafen belagt med aluminiumsfilm. Instrumentets ekstremt lave inertimoment reducerede måletiden til undersekunder ved stuetemperatur sammenlignet med Kappler-instrumentet, hvilket tog timer. Udviklingsprocessen af ​​torsionsbalance-arrayet omfattede dannelsen af ​​en fritstående grafen CNT-film, hvilket Cong et al. overføres til en præfabrikeret silicium wafer array. Forskerne overførte derefter et individuelt carbon nanorør (CNT) til et grafen-CNT (GCF) dækket substrat som en ophængstråd. De afsatte derefter et tyndt lag aluminium på begge sider af substratet for at opnå et højreflekterende spejl og fjernede dele af grafen-carbon nanorøret ved hjælp af en laser. Ultimativt, det ultratynde spejl så ud til at svæve i luften på grund af usynligheden af ​​CNT-tråden under et optisk mikroskop.

Målinger og følsomhedskarakterisering.

For at overvinde påvirkningen af ​​luftstrømme, Cong et al. forseglede CNT-torsionsbalancen i et vakuumkammer og tilføjede kammeret til en optisk arbejdsstation med en højtydende laminær flow-isolator for at isolere vibrationer og mekanisk støj fra omgivelserne. Under målingerne, forskerne stoppede systemets tørre pumpe og turbopumpe og vedligeholdt kun ionpumpen for at bevare vakuumaktiviteten. Til den optiske måling, holdet fokuserede en laserstråle med en effekt på et par mikrowatt for at udøve fotontryk og få torsionsbalancen til at rotere i en lille vinkel omkring kulstofnanorørets (CNT) tråd. De målte derefter den inducerede vinkel med en line array charge-coupled device (CCD) sensor for at detektere positionen af ​​det reflekterede lys. Spejlets vridningspotentiale energi stemte overens med de teoretiske værdier forudsagt af den Brownske bevægelsesteori. For at forstå balancens ydeevne, Cong et al. udført optiske udlæsninger for 11 forskellige lasereffekter på tværs af 10 forskellige steder. De gennemsnitlige værdier af torsionsoscillationsfrekvenserne ændrede sig ikke med lasereffekt. Kulstof nanorør torsion balance kunne måle den svage kraft med femtonewton opløsning, og lasereffekten kunne reduceres yderligere for at undgå afbøjninger uden for området. Yderligere reduktioner af lasereffekt påvirkede vinkelmålingen alvorligt; forskerne foreslår derfor at bruge en anden sonderende laserstråle til at detektere afbøjningsvinklen ved måling af sub-femtonewton-kræfter, der udøves af et svagere laserlys.

Outlook

På denne måde Lin Cong og kolleger leverede en pålidelig metode til at lette torsionsbalancen for at gøre den attraktiv til on-chip applikationer. Holdet forbedrede ydeevnen af ​​kulstofnanorørs torsionsbalance ved at bruge et kulstofnanorør med lille diameter som ophængstråd. Den forventede zeptonewton-kraftopløsning kunne bryde rekorden for resultater opnået ved ultralav temperatur som et vigtigt gennembrud inden for måling af svag kraft. Kulstofnanorørets torsionsvinkel kan justeres kontinuerligt for at påvirke elektrontransportegenskaberne produceret via torsionsbelastning over et bredt område. Den nuværende undersøgelse er foreløbig og kan forbedres yderligere. De on-chip carbon nanorør (CNT) spændingsbalancer beskrevet i dette arbejde tilbød femtonewton opløsning baseret på et individuelt carbon nanorør som ophængstråd og en aluminiseret grafen-CNT (GCF) som balancestråle og spejl. Den høje følsomhed og enkle fremstilling af CNT-torsionsbalancen vil give ny grundlæggende forskning mulighed for at udforske svage effekter og bestemme nye fysiklove.

© 2021 Science X Network