En gemensam forskargrupp från CEA/University of Grenoble-Alpes, tillsammans med internationella partners, har utvecklat en diagnostisk teknik som kan identifiera prestandaproblem i nanoresonatorer, en typ av nanodetektor som används inom forskning och industri. Dessa nanoelektromekaniska system, eller NEMS, har aldrig använts till sina maximala möjligheter. De detektionsgränser som observerats i praktiken har alltid legat långt under den teoretiska gränsen och, tills nu, denna skillnad har förblivit oförklarad. Med ett helt nytt tillvägagångssätt, forskarna har nu lyckats utvärdera och förklara detta fenomen. Deras resultat, beskrivs i numret av den 29 februari av Naturens nanoteknik , bör nu göra det möjligt att hitta sätt att övervinna denna prestationsbrist.
NEMS har många applikationer, inklusive mätning av massa eller kraft. Som en liten fiolsträng, en nanoresonator vibrerar med en exakt resonansfrekvens. Denna frekvens ändras om gasmolekyler eller biologiska partiklar sätter sig på nanoresonatorytan. Denna förändring i frekvens kan sedan användas för att detektera eller identifiera ämnet, möjliggör en medicinsk diagnos, till exempel. De extremt små dimensionerna på dessa enheter (mindre än en miljondels meter) gör detektorerna mycket känsliga.
Dock, denna upplösning är begränsad av en detektionsgräns. Bakgrundsbrus förekommer förutom den önskade mätsignalen. Forskare har alltid ansett detta bakgrundsljud vara en inneboende egenskap hos dessa system (se figur 2). Trots att ljudnivåerna är betydligt högre än vad teorin förutspått, omöjligheten att förstå de underliggande fenomenen har, tills nu, ledde till att forskarvärlden ignorerade dem.
CEA-Leti forskarteam och deras partners granskade alla frekvensstabilitetsmätningar i litteraturen, och identifierade en skillnad på flera storleksordningar mellan de accepterade teoretiska gränserna och experimentella mätningar.
Förutom att utvärdera denna brist, forskarna utvecklade också en diagnostisk teknik som kunde tillämpas på varje enskild nanoresonator, använda sina egna högrena monokristallina kiselresonatorer för att undersöka problemet.
Resonansfrekvensen för en nanoresonator bestäms av resonatorns geometri och typen av material som används vid dess tillverkning. Det är därför teoretiskt fixat. Genom att tvinga resonatorn att vibrera vid definierade frekvenser nära resonansfrekvensen, CEA-Leti-forskarna har kunnat demonstrera en sekundär effekt som stör systemets upplösning och dess detektionsgräns utöver bakgrundsbruset. Denna effekt orsakar små variationer i resonansfrekvensen. Dessa fluktuationer i resonansfrekvensen beror på den extrema känsligheten hos dessa system. Även om de kan upptäcka små förändringar i massa och kraft, de är också mycket känsliga för små variationer i temperatur och rörelser av molekyler på deras yta. På nanoskala, Dessa parametrar kan inte ignoreras eftersom de sätter en betydande gräns för prestanda hos nanoresonatorer. Till exempel, en liten förändring i temperaturen kan ändra parametrarna för enhetens material, och därav dess frekvens. Dessa variationer kan vara snabba och slumpmässiga.
Den experimentella tekniken som utvecklats av teamet gör det möjligt att utvärdera förlusten av upplösning och att avgöra om den orsakas av systemets inneboende gränser eller av en sekundär fluktuation som därför kan korrigeras. Ett patent har ansökts för att täcka denna teknik. Forskargruppen har också visat att ingen av de teoretiska hypoteser som hittills kommit fram för att förklara dessa fluktuationer i resonansfrekvensen för närvarande kan förklara den observerade variationsnivån.
Forskargruppen kommer därför att fortsätta experimentellt arbete för att utforska det fysiska ursprunget till dessa fluktuationer, i syfte att uppnå en betydande förbättring av prestanda hos nanoresonatorer.
