Makroskopische Abstimmung der Nanomechanik: Substrabiegung zur reversiblen Kontrolle von Frequenz und Qualitätsfaktor von Nanostring-Resonatoren

Wir haben eine Chip-Biegemethode angewendet, um eine kontinuierliche und reversible Kontrolle über die Zugspannung in doppelgeclippten nanomechanischen Balkenresonatoren auszuüben. Es zeigt sich, dass die Zugspannung den Qualitätsfaktor sowohl von Siliziumnitrid- als auch von einkristallinen Siliziumresonatoren erhöht, was impliziert, dass zusätzliche Spannung als allgemeiner, materialunabhängiger Weg zur Erhöhung des Qualitätsfaktors genutzt werden kann. Mit dieser direkten Dehnungstechnik demonstrieren wir Balkenresonatoren mit bisher unerreichter Abstimmfähigkeit sowohl in Bezug auf Frequenz als auch Qualitätsfaktor. Die Geräte können zwischen einem hohen und niedrigen Spannungszustand hin und her abgestimmt werden, wobei eine Frequenzabstimmung von mehreren hundert Prozent nachgewiesen wurde. Über diesen weiten Frequenzbereich wird der Qualitätsfaktor ebenfalls um mehrere hundert Prozent abgestimmt, was Einblicke in die Verlustmechanismen in diesen Materialien und dieser Klasse von Nanoresonatoren bietet. Geräte mit Frequenzen im Bereich von 1-100 MHz werden untersucht, wobei ein Qualitätsfaktor von bis zu 390.000 bei Raumtemperatur für ein Siliziumnitrid-Gerät mit Querschnittsmaßen unter 1 Mikrometer im Hochspannungszustand erreicht wird. Diese direkte Dehnungstechnik könnte nützlich sein, um Verlustmechanismen zu identifizieren, die zum Energiehaushalt in nanomechanischen Resonatoren beitragen, was die Entwicklung neuer Designs ermöglichen würde, die höhere Qualitätsfaktoren aufweisen. Solche Geräte hätten die Fähigkeit, kleinere Zusatzmassen aufzulösen und damit eine empfindlichere Detektion zu ermöglichen sowie das Potenzial, Zugang zu zuvor unzugänglichen Dissipationsregimen bei niedrigen Temperaturen zu bieten. Diese Technik bietet die Möglichkeit, sowohl Frequenz als auch Qualitätsfaktor dramatisch abzustimmen, was es zukünftigen mechanischen Resonatoren erlaubt, als variable Frequenzreferenzen sowie variable Bandpassfilter in der Signalverarbeitung eingesetzt zu werden.