Nanowire and carbon nanotube based NEMS resonators
Systèmes électromécaniques nanométriques a base de nano-fils de silicium et nanotubes de carbone
Résumé
Nano-electro-mechanical systems (NEMS) are nano-scale devices composed by mechanical moving parts and the electronic circuitry. They integrate electrical and mechanical functionality on the nanoscale. Their purpose is to sense a specific physical quantity and convert it into a measurable electrical signal. The main building blocks constituting the mechanical moving parts of a NEMS are silicon nano-beams, nanocantilevers, carbon nanotubes and nanowires. A change in the environment will cause a change in their mechanical and electrical properties (motion amplitude, resonance frequency, quality factor etc). This variation is converted by appropriate transducers into a processable electrical signal. These devices allow collecting environmental information such as changes of temperature, pressure, mass and forces. Their small masses, high mechanical resonance frequencies (10Mhz-1Ghz), large quality factors, increased sensitivity and low power consumption allows for better performing sensors. NEMS offer a wide range of potential applications. They are envisaged to be used in ultra-small mass and force sensing applications, for biological or chemical sensors. Nevertheless the great advantages offered by NEMS, it doesn't exist yet a well established technique for detecting efficiently the electrical signal generated by the mechanical displacement of these nanostructures. The most important technological challenge in nano-electromechanical systems operation is the efficient detection of sub-nanometer displacements at high frequencies. The transduction efficiency determines the devices performances and sets its limits. The objective of this thesis is focused on solving this major problem. The research is specially focused on developing a nanowire-based detection technique for transducing the nano-mechanical displacement into an electrical signal. The work shown in this thesis has been organized around three principal axes: The first part aims to evaluate and compare theoretically different actuation/detection schemes for nanowire-based NEMS in order to choose the one which presents the highest transduction gain and signal to background ratio (SBR). This approach is crucial since the results of this study will decide the continuation of our research and the techniques to be implemented. This work is the starting basis before moving to development. The second part is dedicated to the fabrication of NEMS devices and to the implementation of an actuation/detection scheme for mechanical motion detection at frequencies up to 100MHz. This step allows us to continue with the experimental evaluation of the transduction efficiency. The third part is centred on the experimental characterization of the transduction efficiency. The central parameters that are going to be explored are the transduction gain, the signal to background ratio, the signal to noise ratio (SNR), the resonance frequency of the devices, the quality factor, the ultimate displacement and mass resolution. The experimental results are of high importance since they are used to confirm the expectations and to validate the theoretical analysis. Finally the results have been compared with the state of the art results, in order to highlight the advances and contribution in the field.
Les systèmes nano-électro-mécaniques (NEMS) sont des dispositifs de tailles nanométriques composés de structure mécaniques mobiles et de circuits électroniques. Ils intègrent des fonctions électriques et mécaniques à l'échelle nanométrique. Leurs but est de détecter une certaine quantité physique et de le convertir dans un signal électrique mesurable. Les structures mécaniques mobiles des NEMS sont principalement constituées par des nano-poutres en silicium, des nano-leviers, des nanotubes de carbone et des nano-fils. Un changement dans l'environnement entraîne un changement dans leurs propriétés mécaniques et électriques (amplitude de mouvement, la fréquence de résonance, facteur de qualité etc.). Cette variation est convertie par des transducteurs appropriés dans un signal électrique. Ces dispositifs permettent la collecte d'informations environnementales comme le changement de température, de pression, de masse et de force. Des capteurs plus performants sont réalisés grâce à leurs ultra-petites masses, hautes fréquences de résonance (10Mhz-1Ghz), grands facteurs de qualité et une faible consommation. Les NEMS permettent une large gamme d'applications potentielles. Ils sont envisagés pour être utilisé dans des applications de détection de force ou de masses ultra-petites, par exemple dans des capteurs chimiques ou biologiques. Malgré, les grands avantages offerts par les NEMS, il n'existe pas encore une technique bien établie pour détecter efficacement le signal électrique généré par le déplacement mécanique de ces nanostructures. Le défi technologique le plus important dans le fonctionnement de ces systèmes est la détection efficace du déplacement nanométrique à des fréquences élevées. L'efficacité de la transduction détermine les performances des dispositifs et fixe leurs limites. L'objectif de cette thèse est orienté sur la résolution de ce problème majeur. La recherche est spécialement conduite sur le développement d'une technique de détection à base de nano-fils pour la transduction du déplacement nano-mécanique dans un signal électrique. Les travaux présentés dans cette thèse ont été organisée autour de trois axes principaux: La première partie vise à évaluer et comparer théoriquement les différents systèmes d'actionnement et de détection de NEMS à base de nano-fils afin de choisir celle qui présente le plus grand gain de transduction et le rapport signal/fond (SBR). Cette approche est cruciale, car ces résultats vont décider la poursuite de nos recherches et les techniques à mettre en œuvre. Ce travail est la base de départ avant de passer au développement. La deuxième partie est dédiée à la fabrication de dispositifs NEMS et à la mise en œuvre d'un système d'actionnement et de détection du mouvement mécanique à des fréquences jusqu'à 100 MHz. Cette étape nous permet de continuer avec l'évaluation expérimentale de l'efficacité de transduction. La troisième partie est centrée sur la caractérisation expérimentale de l'efficacité de transduction. Les paramètres centraux qui vont être explorées sont : le gain de transduction, le rapport signal à fond, le rapport signal sur bruit (SNR), la fréquence de résonance des dispositifs, le facteur de qualité, le déplacement et la résolution ultime de masse. Ces résultats expérimentaux sont d'une grande importance car ils sont utilisés pour confirmer les attentes et valider les analyses théoriques. Enfin, ces résultats sont comparés avec ceux donnés par l'état d'art, afin de mettre en évidence le progrès et la contribution dans ce domaine.
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