AFM manipulation of damping in nanomechanical resonators

Ein bedeutender Teilbereich der Nanomechanik beschäftigt sich mit
der Erforschung kleiner, schwingender Systeme, welche aufgrund
ihrer geringen Massen auf minimale Umgebungseinflüsse reagieren.
Dies macht derartige nanoskalige Resonatoren zu äußerst
empfindlichen Sensoren. Die fortschreitende Miniaturisierung
nanomechanischer Systeme erfordert nun einerseits die
Weiterentwicklung von Antriebs- und Detektionsmechanismen,
andererseits spielt die Verbesserung der mechanischen Güte eine
zentrale Rolle für die Erhöhung der Empfindlichkeit möglicher
sensorischer Anwendungen. Hierfür ist die Untersuchung der
Mechanismen, welche die mechanische Dämpfung der Resonatoren
verursachen, erforderlich. Um das Dämpfungsverhalten eines
beidseitig eingespannten nanomechanischen Siliziumnitridresonators
zu untersuchen und zu kontrollieren wird in dieser Arbeit ein
Rasterkraftmikroskop (AFM) eingesetzt. Dessen Spitze wird mit dem
Resonator in Kontakt gebracht und beeinflusst als lokale Störung
kontrolliert das nanomechanische System. Das AFM bildet hierbei
einen mechanischen Punktkontakt mit der Aufhängung des Resonators
aus, wodurch Schwingungsenergie vom Resonator in die AFM-Spitze
abgeleitet wird. Aufgrund der hervorragenden räumlichen Auflösung
des Rasterkraftmikroskops ist es somit möglich den ortsaufgelösten
Energiefluss zwischen den beiden Systemen zu untersuchen. Hierfür
wird die mechanische Resonanz der Siliziumnitridsaite im
Radiofrequenzbereich mittels eines heterodynen
Überlagerungsverfahrens elektrisch ausgelesen. Die Bewegung des
zwischen zwei Goldelektroden platzierten Resonators ruft eine
Kapazitätsänderung des durch die Elektroden gebildeten Kondensators
hervor. Durch Kopplung an einen Mikrowellenschwingkreis kann diese
Kapazitätsänderung ausgelesen werden. Zudem können Gleich- und
Wechselspannungen an die Elektroden angelegt werden, wodurch
einerseits die Resonanzfrequenz des Resonators verstimmt und
andererseits die mechanische Bewegung angetrieben werden kann. Das
derart angetriebene nanomechanische System kann nun unter Einfluss
der lokalen Störung durch das AFM in positions- und kraftabhängigen
Messungen untersucht werden. Es zeigt sich, dass der
Energietransfer durch den mechanischen Punktkontakt einen äußerst
starken Einfluss auf die mechanische Güte des Siliziumnitridbalkens
hat, seine Resonanzfrequenz jedoch nur geringfügig beeinflusst
wird. Dies kann durch eine Änderung der mechanischen
Impedanzanpassung des Resonators an seine Umgebung erklärt werden.
Die Impedanzänderung durch den mechanischen Punktkontakt ermöglicht
den Übergang eines stark fehlangepassten nanomechanischen Systems
hoher Güte zu einem angepassten System niedriger Güte auf einem
einzigen Resonator. Hierbei bleibt die intrinsische Dämpfung des
Resonators unverändert und die zusätzlich induzierte Dämpfung kann
der Abstrahlung von Vibrationsenergie in die Umgebung zugeschrieben
werden. Resonatoren hoher Güte ergeben sich somit als Systeme mit
möglichst großer Fehlanpassung der mechanischen Impedanz.
Desweiteren kann mit dieser Methode das in den Aufhängepunkt des
Resonators hineinreichende Verzerrungsfeld abgebildet werden. Dies
ermöglicht die Untersuchung gekoppelter Moden des Resonators sowie
deren Modenform.