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Unterreithmeier, Quirin (2010): Gradient Field Transduction of Nanomechanical Resonators. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Das Forschungsgebiet nanomechanischer Systeme betrachtet die Bewegung von Strukturen, deren Länge in mindestens einer Richtung deutlich unter einem Mikrometer liegt. Meist werden dabei Auslenkungen untersucht, die in der Nähe einer mechanischen Resonanz angetrieben werden. Das wissenschaftliche Interesse an solchen Strukturen hat mehrere Gründe: aufgrund der kleinen Masse und oftmals geringen Dämpfung (d.h. hohe Güte) reagieren solche nanomechanischen Systeme sehr empfindlich auf Änderungen ihrer Umgebung oder ihrer eigenen Eigenschaften wie etwa ihrer Masse. Die große Vielfalt der nanomechanischen Systeme erlaubt die Kopplung an verschiedenste physikalische Größen wie (Umgebungs-)Druck, Licht, elektrische/magnitische Felder. Dies ermöglicht, die Wechselwirkung selbst zu untersuchen oder entsprechende Änderungen empfindlich zu detektieren. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Resonator Bewegung von doppelseitig eingespannten Balken untersucht; diese wurden mit konventioneller Mikrofabrikation aus verspanntem Silizium-Nitrid gefertigt. Die große Zugspannung in den Balken führt zu einer hohen mechanischen Stabilität und ebenso zu hohen mechanischen Güten. Ein Teil der Arbeit befasste sich mit der Entwicklung neuer Detektions- und Antriebsmechanismen. Unter Ausnutzung der Polarisierbarkeit des Resonators wurde ein lokaler Antrieb realisiert, der sich durch besondere Einfachkeit auszeichnet. Ebenso wurden Fortschritte in der optischen Detektion erzielt. Ein Photodetektor konnte innerhalb einer optischen Wellenlänge Abstand zum Resonator plaziert werden; dies ermöglicht die lokale Detektion seiner Bewegung. Hochempfindliche Messungen nutzen oft optische Resonanzen; bisherige Umsetzungen basieren auf Reflexionen und sind daher auf Objekte beschränkt, die größer als die verwendete Wellenlänge sind. In einer Zusammenarbeit mit Prof. Kippenberge konnte diese Beschränkung umgangen werden, indem geführtes Licht in einem Mikro-Toroiden verwendet wurde. Weiter wurde in der Arbeit die resonante Bewegung selbst untersucht. Im Bereich hoher Amplituden zeigt die rücktreibende Kraft nichtlineares Verhalten. Das sich dadurch ergebende bistabile Verhalten des Resonators wurde mit Hilfe von kurzen, resonanten Pulsen untersucht; schnelles Schalten wurde erreicht. Die mechanische Dämpfung der Siliziumnitrid Resonatoren wurde untersucht. Die hohen Güten von Systemen unter Zugspannung konnte erklärt werden durch die sich ergebende erhöhte gespeicherte elastische Energie; im Gegensatz zu einem veränderten Dämpfungsverhalten.