Een gezamenlijk onderzoeksteam van CEA/Universiteit van Grenoble-Alpes, samen met internationale partners, heeft een diagnostische techniek ontwikkeld die prestatieproblemen in nanoresonatoren kan identificeren, een type nanodetector dat wordt gebruikt in onderzoek en industrie. Deze nano-elektromechanische systemen, of NEMS, zijn nooit optimaal gebruikt. De in de praktijk waargenomen detectielimieten zijn altijd ruim onder de theoretische limiet gebleven en, tot nu, dit verschil is onverklaard gebleven. Met een totaal nieuwe aanpak, de onderzoekers zijn er nu in geslaagd dit fenomeen te evalueren en te verklaren. hun resultaten, beschreven in het nummer van 29 februari van Natuur Nanotechnologie , moet het nu mogelijk maken om manieren te vinden om dit prestatietekort te verhelpen.

NEMS heeft veel toepassingen, inclusief het meten van massa of kracht. Als een kleine vioolsnaar, een nanoresonator trilt met een precieze resonantiefrequentie. Deze frequentie verandert als gasmoleculen of biologische deeltjes neerslaan op het oppervlak van de nanoresonator. Deze frequentieverandering kan vervolgens worden gebruikt om de stof te detecteren of te identificeren, het mogelijk maken van een medische diagnose, bijvoorbeeld. De extreem kleine afmetingen van deze apparaten (minder dan een miljoenste meter) maken de detectoren zeer gevoelig.

Echter, deze resolutie wordt beperkt door een detectielimiet. Naast het gewenste meetsignaal is achtergrondruis aanwezig. Onderzoekers hebben deze achtergrondruis altijd beschouwd als een intrinsiek kenmerk van deze systemen (zie figuur 2). Ondanks dat de geluidsniveaus aanzienlijk hoger zijn dan de theorie voorspelt, de onmogelijkheid om de onderliggende verschijnselen te begrijpen, tot nu, leidde ertoe dat de onderzoeksgemeenschap ze negeerde.

Het CEA-Leti onderzoeksteam en hun partners hebben alle frequentiestabiliteitsmetingen in de literatuur beoordeeld, en identificeerde een verschil van verschillende grootteordes tussen de geaccepteerde theoretische limieten en experimentele metingen.

Naast het evalueren van dit tekort, de onderzoekers ontwikkelden ook een diagnostische techniek die op elke individuele nanoresonator kon worden toegepast, met behulp van hun eigen monokristallijne siliciumresonatoren van hoge zuiverheid om het probleem te onderzoeken.

De resonantiefrequentie van een nanoresonator wordt bepaald door de geometrie van de resonator en het type materiaal dat bij de vervaardiging wordt gebruikt. Het ligt dus theoretisch vast. Door de resonator te dwingen te trillen op gedefinieerde frequenties dichtbij de resonantiefrequentie, de CEA-Leti-onderzoekers hebben naast het achtergrondgeluid een secundair effect kunnen aantonen dat de resolutie van het systeem en zijn detectielimiet verstoort. Dit effect veroorzaakt kleine variaties in de resonantiefrequentie. Deze schommelingen in de resonantiefrequentie zijn het gevolg van de extreme gevoeligheid van deze systemen. Hoewel ze in staat zijn om kleine veranderingen in massa en kracht te detecteren, ze zijn ook erg gevoelig voor minieme variaties in temperatuur en de bewegingen van moleculen op hun oppervlak. Op nanoschaal is deze parameters kunnen niet worden genegeerd omdat ze een aanzienlijke limiet opleggen aan de prestaties van nanoresonatoren. Bijvoorbeeld, een kleine verandering in temperatuur kan de parameters van het apparaatmateriaal veranderen, en vandaar de frequentie. Deze variaties kunnen snel en willekeurig zijn.

De experimentele techniek die door het team is ontwikkeld, maakt het mogelijk om het verlies aan resolutie te evalueren en te bepalen of het wordt veroorzaakt door de intrinsieke limieten van het systeem of door een secundaire fluctuatie die daarom kan worden gecorrigeerd. Voor het afdekken van deze techniek is een patent aangevraagd. Het onderzoeksteam heeft ook aangetoond dat geen van de theoretische hypothesen die tot nu toe zijn ontwikkeld om deze fluctuaties in de resonantiefrequentie te verklaren, momenteel het waargenomen niveau van variatie kan verklaren.

Het onderzoeksteam zal daarom doorgaan met experimenteel werk om de fysieke oorsprong van deze fluctuaties te onderzoeken, met als doel een significante verbetering van de prestaties van nanoresonatoren te bereiken.