Ultraprecyzyjny czujnik oparty na nowej metodzie odczytu nanowibracji

Ultraprecyzyjny czujnik oparty na nowej metodzie odczytu nanowibracji

Schemat eksperymentu. Sonda mikroskopu atomowego jest zawieszona tuż nad wibrującym mikroramieniem. Siły elektrostatyczne zmuszają sondę do wibracji, które są mierzone wiązką laserową.

Nanomechaniczne oscylatory, mikroskopijne paski wibrującego krzemu o grubości ledwie kilkuset atomów, są tematem szeroko zakrojonych badań. Być może z czasem zastąpią one w obwodach elektronicznych ‘duże’, nieporęczne kryształki kwarcu. Mogą też być wykorzystywane do detekcji bakterii i wirusów. Problem w tym, że pomiar ich wibracji nie jest sprawą prostą. Zwykle jest to realizowane przez odbijanie od nich wiązki laserowej. Problem pojawia się w momencie, gdy nanourządzenia zaczynają być mniejsze od długości fali światła. Można je też mierzyć urządzeniami piezoelektrycznymi, tymi nieporęcznymi kryształkami kwarcu, których chcemy się przecież pozbyć.

Naukowcy z Now Cornell University wymyślili bardzo proste rozwiązanie. Wibracje tych mikroskopijnych oscylatorów mogą być mierzone mikroskopem atomowym (AFM).

AFM wykorzystuje mikroskopijną sondę, którą przesuwa powoli tuż nad powierzchnią. Elektrostatyczne przyciąganie, bądź odpychanie między atomami na czubku sondy i tymi na powierzchni sprawia, że porusza się ona w górę i w dół, tworząc obraz powierzchni tak dokładny, że widać pojedyncze atomy.

”AFM’y są wszędzie,” – mówi Rob Ilic z Cornell. „Oferują one łatwy sposób badania tych struktur.”

Można by porównać to do mierzenia NEMS’ów (systemy nanoelektromechaniczne) przy pomocy MEMS’ów (systemy mikroeletromechaniczne).

By zmierzyć wibracje nanomechanicznego oscylatora, sonda AFM porusza się wzdłuż oscylującego pręta. Wynikiem są złożone odbicia między sondą i oscylatorem. To tak jakby trząść jednym końcem sprężyny i obserwować wibracje drugiego końca.

Na potrzeby eksperymentu, Ilic z kolegami zbudowali całą gamę krzemowych dźwigni, pasków krzemu zamocowanych z jednego końca i wolno wibrujących z drugiego, długich na 5 do 12 mikronów, szerokich na 1 mikron, grubych na 250 nanometrów i wibrujących z częstotliwością od 1 do 15 megaherców.

W praktycznych zastosowaniach, sonda MEMS może być zamontowana nad każdym oscylatorem NEMS tak, by odczytać, który z oscylatorów wykazuje zmiany w częstotliwości, a co za tym idzie, która z identyfikowanych substancji jest obecna.

(lk)