Characterization of nanomechanical resonators based on silicon nanowires

Abstract

Els sensors de massa nanomecànics han atret un gran interès darrerament per la seva alta sensibilitat, que ve donada per les petites dimensions del ressonador que actua com a element sensor. Aquesta tesi tracta sobre la fabricació i caracterització de ressonadors nanomecànics per a aplicacions de sensat de massa. Aquest objectiu inclou diferents aspectes: 1) el desenvolupament d’una tecnologia de fabricació per a ressonadors nanomecànics basats en nanofils de silici, 2) la caracterització de la seva resposta freqüencial utilitzant mètodes elèctrics i 3) l’avaluació del seu rendiment com a sensors de massa. Durant aquest treball hem fabricat ressonadors nanomecànics basats en nanofils de silici doblement fixats, utilitzant dues estratègies de fabricació diferents: els nanofils crescuts amb mètodes bottom-up (“de baix a dalt”), i els definits amb mètodes de litografia top-down (“de dalt a baix”). Aprofitant les característiques d’ambdues tècniques, hem fabricat nanofils amb dimensions laterals de fins a 50 nanòmetres, i amb un alt nombre de dispositius per xip, aconseguint un alt grau de rendiment per a estructures d’aquestes dimensions. Hem aplicat esquemes avançats de detecció elèctrica basats en la mescla de senyals cap a freqüències baixes per tal de caracteritzar la resposta freqüencial dels ressonadors. Hem demostrat que el mètode de freqüència modulada (FM) proporciona la millor eficiència en la transducció de l’oscil·lació mecànica en una senyal elèctrica. Aquesta tècnica ha permès detectar múltiples modes de ressonància del ressonador, a freqüències de fins a 590 MHz. La detecció de modes de ressonància superiors és important per tal de solucionar una de les principals problemàtiques en el camp dels sensors de massa nanomecànics: desacoblar els efectes de la posició i la massa de la partícula dipositada. També hem combinat la informació obtinguda de la caracterització elèctrica amb simulacions d’elements finits per tal de quantificar l’estrès acumulat als nanofils durant la seva fabricació. Hem estudiat els sistemes de transducció electromecànica en ressonadors basats en nanofils de silici comparant l’eficiència de tres mètodes de detecció: el mètode FM ja esmentat i els mètodes de dos generadors, 1ω i de dos generadors, 2ω. D’aquesta manera hem demostrat que dos mecanismes de transducció diferents coexisteixen en els nanofils de silici bottom-up: el mecanisme lineal (en què la senyal transduïda és proporcional al moviment del ressonador) i el quadràtic (en què la senyal transduïda és proporcional al quadrat del moviment del ressonador). Per altra banda, en els ressonadors top-down només és present el mecanisme de transducció lineal. Aquest mecanisme lineal és el que permet la gran eficiència del mètode FM per a la caracterització de la resposta freqüencial de ressonadors basats en nanofils de silici. Per tal d’utilitzar els ressonadors nanomecànics com a sensors de massa, el seguiment de la freqüència de ressonància en temps real és indispensable. Hem dissenyat i implementat una configuració en llaç tancat basada en la caracterització FM i un algorisme de detecció de pendent. Aquest sistema permet el seguiment de canvis en la magnitud i freqüència de la resposta del ressonador, possibilitant la detecció de massa en temps real i la caracterització de l’estabilitat temporal del sistema. D’aquesta manera s’ha pogut avaluar l’eficiència del sistema per a aplicacions de sensat de massa. La sensibilitat en massa dels sensors de dimensions més reduïdes és de l’ordre de 6 Hz/zg (1 zg = 6·10-21 g), i les mesures d’estabilitat en freqüència en llaç tancat mostren una resolució en massa de 6 zg a temperatura ambient.

Nanomechanical mass sensors have attracted interest during the last years thanks to their unprecedented sensitivities, which arise from the small dimensions of the resonator which comprises the sensing element. This thesis deals with the fabrication and characterization of nanomechanical resonators for mass sensing applications. This objective comprises three different aspects: 1) the development of a fabrication technology of nanomechanical resonators based on silicon nanowires (SiNW), 2) the characterization of their frequency response by electrical methods and 3) the evaluation of their performance as mass sensors. During this work, we have fabricated nanomechanical resonators based on SiNW clamped-clamped beams, using two different approaches: bottom-up growth of SiNW and top-down definition by lithography methods. By exploiting the advantages of each technique, we have succeeded in fabricating nanowires of small lateral dimensions, in the order of 50 nanometers, and with high number of devices per chip, achieving a high throughput taking into account the dimensions of these structures. We have applied advanced electrical detection schemes based on frequency down-mixing techniques for the characterization of the frequency response of the devices. We have found that the frequency modulation (FM) detection method provides the best efficiency in transducing the mechanical oscillation into an electrical signal. This technique has enabled the detection of multiple resonance modes of the resonator at frequencies up to 590 MHz. The detection of high modes of resonance is important to address one of the issues in nanomechanical mass sensing, decoupling the effects of the position and mass of the deposited species. Moreover, by combining the information obtained from the experimental characterization of the frequency response with FEM simulations, we have quantified the stress accumulated in the SiNWs during the fabrication. We have studied the electromechanical transduction mechanisms in SiNW resonators by the comparative performance of three electrical detection methods: the aforementioned FM and two more detection techniques (namely the two-source, 1ω and the two-source, 2ω). We have proved that two different transduction mechanisms co-exist in bottom-up grown SiNWs: linear (in which the transduced signal is proportional to the motion of the resonator) and quadratic (in which the transduced signal is proportional to the square of the motion of the resonator). On the other hand, in the top-down nanowires only the linear transduction mechanism is present. It is this newly found linear transduction which enables the outstanding performance of the FM detection method when characterizing the frequency response of SiNW resonators. For the use of nanomechanical resonators in mass sensing applications, the real-time tracking of their resonance frequency is needed. We have designed and implemented a novel closed-loop configuration, based on the FM detection technique and a slope detection algorithm. It allows the monitoring of changes in the magnitude and the frequency of the response of the resonator, enabling not only the real time detection of mass, but also the characterization of the temporal stability of the system. In this way, its overall performance for mass sensing applications has been characterized. The mass sensitivity of the system for the smallest resonators stands in the range of 6 Hz/zg (1 zg = 6·10-21 g) and the frequency stability measurements in the closed loop configuration reveal a mass resolution of 6 zg at room temperature.