Pressemitteilung - Nanosystems Initiative Munich

PRESSEMITTEILUNG
Entwicklungsschub für nanoelektromechanische Systeme (NEMS)
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 sogenannte 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 einzelne Atome detektiert werden können. Diese Analysen sind
jedoch aufwendig, benötigen teure Geräte und funktionieren häufig nur bei einer Temperatur
nahe dem absoluten Nullpunkt. Physiker der LMU München haben jetzt eine kompakte
Sensor-Architektur im Nanometer-Maßstab entwickelt, die einfach zu bedienen ist und bei
Raumtemperatur arbeitet. Die Gruppe wird geleitet von Dr. Eva Weig, die auch Mitglied der
Nanosystems Initiative Munich (NIM) ist. Die Arbeit der Wissenschaftler baut einer
elektronischen Schnittstelle für nanomechanische Resonatoren auf, dessen Prinzip sie bereits
im Jahr 2009 in Nature veröffentlichten. Nun gelang es den Wissenschaftlern, eine integrierte
Plattform für nanoelektromechanische Sensoren zu implementieren, mit der winzige
Auslenkungen empfindlich und gleichzeitig robust ausgelesen werden können.
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 führt dazu, dass die Saite
mit sehr geringer Anregungsenergie zum Schwingen gebracht werden kann.
Die beiden Goldelektroden wirken als Kondensator. Das elektrische Feld, das beim Anlegen einer
Spannung entsteht, koppelt an die Nano-Saite. In der 2009 in Nature publizierten Vorgängerarbeit
wurde dieser Effekt zum Antreiben und Durchstimmen der Saitenschwingung eingesetzt. Nun wird
er benutzt, um 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, so 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 sogenannten Mikrowellen-Schwingkreis als SignalVerstärker ein.
Dieser Schwingkreis entspricht einer Schaltung aus einer Spule und einem Kondensator, der mit den
Goldelektroden verbunden wird. Er wird von einem Mikrowellensignal gespeist und überträgt das
kombinierte Signal der Nano-Saite und des Mikrowellen-Schwingkreises. Auf diese Weise wird das
von der vibrierenden Nano-Saite erzeugte Signal verstärkt, so dass selbst ihre thermische Bewegung
sichtbar gemacht werden kann. Zusätzlich kann ein Mikrowellen-Schwingkreis nicht nur eine,
sondern gleichzeitig zahlreiche Nano-Saiten auslesen, was die Benutzung deutlich vereinfacht.
„Hierdurch können in Zukunft hochintegrierte Sensoren entwickelt werden“, sagt Thomas Faust,
Erstautor der Studie.
Nanosystems Initiative Munich (NIM)
Dr. Birgit Gebauer (Presse- und Öffentlichkeitsarbeit)
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Tel.: +49 (89) 2180 5091 Fax: +49 (89) 2180 5649
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Neben der damit erreichten Steigerung der Detektionsempfindlichkeit konnten die Forscher zeigen,
dass der Mikrowellen-Schwingkreis auch direkt in die Schwingung des nanomechanischen
Resonators eingreifen kann. So kann die Schwingung der Nano-Saite durch die Rückwirkung des
Schwingkreises direkt angetrieben und in Selbstoszillation versetzt werden. 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 Eva Weig. Da auf kompliziert zu
bedienende und störanfällige Komponenten komplett verzichtet werden konnte, soll das Verfahren in
Zukunft auch abseits von Laborbedingungen eingesetzt werden können. (NIM, bige)
Die Arbeit wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) sowie das FET-Open Projekt
QNEMS der Europäischen Kommission gefördert.
Publikation:
Microwave cavity-enhanced transduction for plug and play nanomechanics at room temperature. T.
Faust, P. Krenn, S. Manus, J.P. Kotthaus, and E.M. Weig. Nature Communications (Online)
Kontakt:
Dr. Eva Weig
Nanomechanics Group
Fakultät für Physik
Ludwig-Maximilians-Universität
Geschwister-Scholl-Platz 1
80539 München
Abb.: siehe Seite 2
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Abbildung:
Schematische Darstellung der verwendeten 55 µm langen Siliziumnitrid-Saite (grün), die von zwei
Goldelektroden flankiert ist (gelb). Illustration: Christoph Hohmann, Nanosystems Initiative Munich
(NIM).
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