Nanoröhrchen in Resonanz

Nanoröhrchen in Resonanz

Wie die Saiten einer Violine konnten erstmals einzelne Nanoröhrchen gezielt in Resonanz versetzt werden.

Ithaca (USA) - Wie die Saiten einer Violine konnten amerikanische Physiker gezielt einzelne Nanoröhrchen in Resonanzschwingungen versetzen. Mit Frequenzen zwischen 3 und 200 Megahertz ergeben sich zwar keine hörbaren Töne, aber solche Nanoresonatoren könnten wie ihre tausendfach größeren schwingenden Mikrosysteme zu zahlreichen elektronischen Anwendungen wie Uhren, Radioreceivern und extrem genauen Messverfahren führen. Die Eigenschaften dieses ersten Röhrchen-Resonators erläutern die Forscher in der Fachzeitschrift "Nature".

"Solche nanoelektromechanischen (NEMS) Oszillatoren wurden bereits für ultrasentive Massenspektrometer, für die Verarbeitung von Radiofrequenzen und zur Erkundung von Quantenphänomenen in makroskopischen Systemen vorgeschlagen", berichten Vera Sazonova und ihre Kollegen von der Cornell University in Ithaca. Wegen ihrer großen Festigkeit, dem extrem guten Stromleitungseigenschaften und ihrer gleichmäßigen Struktur gelten die wenige Nanometer dicken Hohlkörper als ideale Kandidaten für solche Nanoresonatoren. Doch trotz vieler Ansätze gelang dieser Schritt nun erst der renommierten Nanoröhrchen-Arbeitsgruppe um Paul McEuen.

Abb.: Diese Simulationen zeigen die ersten vier Resonanz-Schwingungsmoden eines Kohlenstoff-Nanoröhrchens, das an seinen Enden eingespannt ist. (Quelle: Nature)

Festgehalten zwischen zwei winzigen Goldelektroden konnten die Forscher die ein bis zweiwandigen Röhrchen über elektrostatische Abstoßungskräfte in Bewegung versetzen. Dazu ließen sie einerseits durch das Röhrchen, andererseits durch eine darunter verlaufende Gate-Elektrode wechselnde Spannungen um die zwei Volt fließen. In Resonanz schätzten sie die Auslenkungen der knapp zwei Mikrometer langen Röhrchen auf rund einen halben Nanometer ab. Dabei wirkten Kräfte im Femtonewton-Bereich. "Die ultimative Grenze für diese Kraft-Sensibilität wird einzig durch die thermischen Vibrationen des Röhrchens gesetzt", so Sazonova.

An insgesamt elf verschiedenen Röhrchen-Resonatoren konnten die Forscher sogar die jeweiligen Resonanz-Frequenzen über die Gate-Spannung verändern. Denn je nach Stromfluss verändert sich das mechanische Dehnungsverhalten der Röhrchen und damit die Resonanz-Frequenz. Nachweisbar waren die verschiedenen Vibrationsmoden über die geschickte Verschaltung des Nanosystems zu einem Transistor. Neben der resonanten Grundschwingung offenbarten sich so sogar höhere Schwingungsmoden.

Da die besten Prototypen dieses Resonators selbst im Vakuum nach nur 200 Schwingungen die Hälfte ihrer Schwingungsenergie einbüßten, ist an einen Anwendung dieser NEMS-Module noch nicht zu denken. Die Lösung dieses Problems könnte jedoch in einer geringeren Verunreinigung der Röhrchen-Oberfläche liegen. McEuen und seine Kollegen planen dazu weitere Experimente. Damit würde die Palette von nanoelektronischen Modulen aus Kohlenstoffröhrchen, die heute schon von Transistoren über Dioden bis zu Laserkomponenten reicht, um die bedeutenden Nanoresonatoren erweitert werden.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Vera Sazonova et al., A tunable carbon nanotube electromechanical oscillator, Nature 431, 284 (2004). 
• Cornell University: 
  http://www.cornell.edu 
• Laboratory of Atomic and Solid-State Physics:
  http://www.lassp.cornell.edu 
• Arbeitsgruppe McEuen: 
  http://www.lassp.cornell.edu/lassp_data/mceuen/homepage/welcome.html 
• Hintergrund Nanoröhrchen: 
  http://www.pa.msu.edu/cmp/csc/nanotube.html 
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Kohlenstoff-Nanoröhrchen finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Nanoröhren und -drähte.

Weitere Literatur:

• Nguyen, C. T. C., Frequency-selective MEMS for miniaturized low-power communication devices, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 47, 1486 (1999). 
• Cho, A., Physics-Researchers race to put the quantum into mechanics, Science 299, 36 (2003). 
• LaHaye, M. D., Buu, O., Camarota, B. & Schwab, K. C., Approaching the quantum limit of a nanomechanical resonator, Science 304, 74 (2004). 
• Dresselhaus, M. S., Dresselhaus, G. & Avouris, P., Carbon Nanotubes (Springer, Berlin, 2001). 
• Poncharal, P.,Wang, Z. L., Ugarte, D. & deHeer,W. A., Electrostatic deflections and electromechanical resonances of carbon nanotubes, Science 283, 1513 (1999). 
• Gao, R. P. et al., Nanomechanics of individual carbon nanotubes frompyrolytically grown arrays, Phys.Rev. Lett. 85, 622 (2000). 
• Hertel, T., Walkup, R. E. & Avouris, P., Deformation of carbon nanotubes by surface van der Waals forces, Phys. Rev. B 58, 13870 (1998). 
• Sapmaz, S., Blanter, Y. M., Gurevich, L. & van der Zant, H. S. J., Carbon nanotubes as nanoelectromechanical systems, Phys. Rev. B 67, 235414