Entwicklungsschub für nanoelektromechanische Systeme

Ob in der Medizin, Pharmazie oder Lebensmitteltechnik: überall spielt der Nachweis von sehr geringen Konzentrationen einer Substanz eine wichtige Rolle. Aussichtsreiche Kandidaten für entsprechende Sensoren sind nanomechanische Resonatoren. Dabei handelt es sich um vibrierende Nano-Saiten, deren Schwingung sich messbar ändert, sobald der nachzuweisende Stoff daran bindet. In den letzten Jahren sind diese Verfahren soweit perfektioniert worden, dass es einzelne Atome detektieren kann. Diese Analysen sind jedoch aufwendig, benötigen teure Geräte und funktionieren häufig nur bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt. Physiker der LMU München um Eva Weig von der Nanosystems Initiative Munich (NIM) haben jetzt eine kompakte Sensor-Architektur im Nanometer-Maßstab entwickelt, die einfach zu bedienen ist und bei Raumtemperatur arbeitet. Die Arbeit der Wissenschaftler baut auf einer elektronischen Schnittstelle für nanomechanische Resonatoren auf. Nun gelang es ihnen, eine integrierte Plattform für nanoelektromechanische Sensoren zu implementieren, die winzige Auslenkungen empfindlich und gleichzeitig robust auslesen kann.

Im Zentrum des Nano-Sensors steht eine rund 50 Mikrometer lange und 200 Nanometer breite Saite aus Siliziumnitrid. Sie ist unter starker Zugspannung zwischen zwei Sockeln aus Quarz aufgehängt und wird rechts und links von je einer parallel laufenden, leicht erhöht angebrachten Goldelektrode flankiert. Die hohe Zugspannung bewirkt eine hohe mechanische Güte und lässt die Saite schon bei sehr geringer Anregungsenergie schwingen.

Die beiden Goldelektroden wirken als Kondensator. Das elektrische Feld, das beim Anlegen einer Spannung entsteht, koppelt an die Nano-Saite. In der Vorgängerarbeit wurde dieser Effekt zum Antreiben und Durchstimmen der Saitenschwingung eingesetzt. Nun dient er dazu, die Schwingung der Saite höchst empfindlich zu detektieren. Das vorgestellte Messprinzip basiert auf einer simplen Tatsache: Schwingt die Nano-Saite im elektrischen Feld auf und ab, ändert sich die Kapazität zwischen den beiden Elektroden. Mit einer eleganten Ergänzung des bestehenden Versuchsaufbaues ist es den Münchner Wissenschaftlern gelungen, dieses winzige Signal nachzuweisen. Dazu bauten sie einen Mikrowellen-Schwingkreis als Signal-Verstärker ein.

Dieser Schwingkreis entspricht einer Schaltung aus einer Spule und einem Kondensator mit Goldelektroden. Ein Mikrowellensignal speist ihn und er überträgt das kombinierte Signal der Nano-Saite und des Schwingkreises. Auf diese Weise verstärkt er das von der vibrierenden Nano-Saite erzeugte Signal und macht so ihre thermische Bewegung sichtbar. Zusätzlich kann ein Mikrowellen-Schwingkreis nicht nur eine, sondern gleichzeitig zahlreiche Nano-Saiten auslesen, was die Benutzung deutlich vereinfacht.

Neben der damit erreichten Steigerung der Detektionsempfindlichkeit konnten die Forscher mit dem Mikrowellen-Schwingkreis auch direkt in die Schwingung des nanomechanischen Resonators eingreifen. So lässt sich diese durch die Rückwirkung des Schwingkreises direkt antreiben und in Selbstoszillation versetzen. Hierbei verringert sich die Linienbreite der mechanischen Resonanz auf einige Hertz, wodurch sich die Empfindlichkeit eines zukünftigen Sensors nochmals erhöht. Darüber hinaus ist das vorgestellte Bauteil deutlich einfacher zu handhaben als bestehende Lösungen. „Mit nur zwei Kabeln, die angeschlossen werden müssen, können im Prinzip tausende Resonatoren auf Knopfdruck ausgelesen werden“, erklärt Weig.

LMU / OD