AFM manipulation of damping in nanomechanical resonators

Published: July 17, 2013, 11 a.m.

b'Ein bedeutender Teilbereich der Nanomechanik besch\\xe4ftigt sich mit der Erforschung kleiner, schwingender Systeme, welche aufgrund ihrer geringen Massen auf minimale Umgebungseinfl\\xfcsse reagieren.\\nDies macht derartige nanoskalige Resonatoren zu \\xe4u\\xdferst empfindlichen Sensoren.\\nDie fortschreitende Miniaturisierung nanomechanischer Systeme erfordert nun einerseits die Weiterentwicklung von Antriebs- und Detektionsmechanismen, andererseits spielt die Verbesserung der mechanischen G\\xfcte eine zentrale Rolle f\\xfcr die Erh\\xf6hung der Empfindlichkeit m\\xf6glicher sensorischer Anwendungen.\\nHierf\\xfcr ist die Untersuchung der Mechanismen, welche die mechanische D\\xe4mpfung der Resonatoren verursachen, erforderlich.\\n\\nUm das D\\xe4mpfungsverhalten eines beidseitig eingespannten nanomechanischen Siliziumnitridresonators zu untersuchen und zu kontrollieren wird in dieser Arbeit ein Rasterkraftmikroskop (AFM) eingesetzt.\\nDessen Spitze wird mit dem Resonator in Kontakt gebracht und beeinflusst als lokale St\\xf6rung kontrolliert das nanomechanische System.\\nDas AFM bildet hierbei einen mechanischen Punktkontakt mit der Aufh\\xe4ngung des Resonators aus, wodurch Schwingungsenergie vom Resonator in die AFM-Spitze abgeleitet wird.\\nAufgrund der hervorragenden r\\xe4umlichen Aufl\\xf6sung des Rasterkraftmikroskops ist es somit m\\xf6glich den ortsaufgel\\xf6sten Energiefluss zwischen den beiden Systemen zu untersuchen.\\nHierf\\xfcr wird die mechanische Resonanz der Siliziumnitridsaite im Radiofrequenzbereich mittels eines heterodynen \\xdcberlagerungsverfahrens elektrisch ausgelesen.\\nDie Bewegung des zwischen zwei Goldelektroden platzierten Resonators ruft eine Kapazit\\xe4ts\\xe4nderung des durch die Elektroden gebildeten Kondensators hervor.\\nDurch Kopplung an einen Mikrowellenschwingkreis kann diese Kapazit\\xe4ts\\xe4nderung ausgelesen werden.\\nZudem k\\xf6nnen Gleich- und Wechselspannungen an die Elektroden angelegt werden, wodurch einerseits die Resonanzfrequenz des Resonators verstimmt und andererseits die mechanische Bewegung angetrieben werden kann.\\n\\nDas derart angetriebene nanomechanische System kann nun unter Einfluss der lokalen St\\xf6rung durch das AFM in positions- und kraftabh\\xe4ngigen Messungen untersucht werden.\\nEs zeigt sich, dass der Energietransfer durch den mechanischen Punktkontakt einen \\xe4u\\xdferst starken Einfluss auf die mechanische G\\xfcte des Siliziumnitridbalkens hat, seine Resonanzfrequenz jedoch nur geringf\\xfcgig beeinflusst wird.\\nDies kann durch eine \\xc4nderung der mechanischen Impedanzanpassung des Resonators an seine Umgebung erkl\\xe4rt werden.\\nDie Impedanz\\xe4nderung durch den mechanischen Punktkontakt erm\\xf6glicht den \\xdcbergang eines stark fehlangepassten nanomechanischen Systems hoher G\\xfcte zu einem angepassten System niedriger G\\xfcte auf einem einzigen Resonator.\\nHierbei bleibt die intrinsische D\\xe4mpfung des Resonators unver\\xe4ndert und die zus\\xe4tzlich induzierte D\\xe4mpfung kann der Abstrahlung von Vibrationsenergie in die Umgebung zugeschrieben werden.\\nResonatoren hoher G\\xfcte ergeben sich somit als Systeme mit m\\xf6glichst gro\\xdfer Fehlanpassung der mechanischen Impedanz.\\n\\nDesweiteren kann mit dieser Methode das in den Aufh\\xe4ngepunkt des Resonators hineinreichende Verzerrungsfeld abgebildet werden.\\nDies erm\\xf6glicht die Untersuchung gekoppelter Moden des Resonators sowie deren Modenform.'