Of het nu gaat om de geneeskunde, farmacie of levensmiddelen technologie: overal speelt het aantonen van zeer geringe concentraties van een substantie een belangrijke rol. Veelbelovende kandidaten voor dergelijke sensoren zijn de zogenaamde nano mechanische resonatoren. Daarbij gaat het om trillende nanodraden, waarvan de trillingen meetbaar veranderen, zodra de te detecteren stof zich er aan vast hecht. In de afgelopen jaren zijn deze processen zover geperfectioneerd, dat zelfs aparte atomen kunnen worden gedetecteerd. Deze analyses zijn echter kostbaar, er is dure apparatuur voor nodig en het functioneert vaak alleen bij een temperatuur dicht bij het absolute nulpunt. Fysici van het LMU München hebben nu een compacte sensor architectuur op nanoschaal ontwikkeld, die simpel te bedienen is en ook bij kamertemperatuur werkt.
De groep uit München wordt geleid door dr. Eva Weig, die ook lid is van het Nanosystem Initiative Munich (NIM). Het wetenschappelijk werk is gebaseerd op een elektronische interface voor nano mechanische resonatoren. Het principe werd al in 2009 gepubliceerd in Nature. Nu is het de wetenschappers gelukt om een geïntegreerd platform voor nano elektromechanische sensoren te implementeren, waarmee minuscule vervormingen gevoelig tegelijkertijd robuust kunnen worden uitgelezen.
In het centrum van de nano sensor staat in ongeveer 50 µm lange en 200 nm brede snaar van siliciumnitride. De snaar is met een flinke trekspanning tussen twee ankers van kwarts opgehangen en wordt links en rechts geflankeerd door een parallel lopende, iets verhoogde goudelektrode. De grote trekspanning zorgt voor een hoge mechanische kwaliteit en zorgt ervoor, dat de snaar met een zeer geringe aanstoot-energie in trilling kan geraken.
Condensator
De beide goudelektroden werken als condensator. Het elektrische veld, dat bij het aanleggen van een spanning ontstaat, wordt gekoppeld aan de nano snaar. In die in 2009 gepubliceerde werkzaamheden werden dit effect van aanstoten en doorgeven van de snaartrillingen al aangegeven. Nu wordt dit gebruikt om de trilling van de snaar uitermate gevoelig te detecteren. Het voorgestelde meetprincipe is gebaseerd op een simpel gegeven: trilt de nano snaar in een elektrisch veld op en neer, dan verandert de capaciteit tussen de beide elektroden. Met een elegante aanvulling van de bestaande proefopbouw zijn de wetenschappers uit München erin geslaagd om dit minuscule signaal aan te tonen. Daarvoor bouwden ze een zogenaamde microgolf trillingskring in als signaal versterker.
Deze trillingskring komt overeen met de schakeling van een spoel en een condensator, die met de goudelektroden wordt verbonden. Hij wordt gevoed door het microgolf signaal en stuurt het gecombineerde signaal van de nano snaar en de microgolf trillingskring door. Op deze manier wordt het door de vibrerende nano snaar opgewekte signaal versterkt, zodat zelfs de thermische beweging zichtbaar kan worden gemaakt. Bovendien kan een microgolf trillingskring niet slechts een, maar gelijktijdig talrijke nano snaren uitlezen, wat het gebruik duidelijk eenvoudiger maakt. “Hierdoor zouden in de toekomst sterk geïntegreerde sensoren kunnen worden ontwikkeld”, zegt Thomas Faust, de hoofdauteur van de studie.
Siliciumnitride, links en rechts geflankeerd door twee goudelektroden (afbeelding LMU)
Eigen resonantie
Behalve de hiermee bereikte verbetering van de detectie gevoeligheid konden de onderzoekers aantonen, dat de microgolf trillingskring ook direct kan ingrijpen in de trilling van de nano mechanische resonator. Zodoende kan de trilling van de nano snaar door terugkoppeling van de trillingskring direct worden bediend en in eigen resonantie worden gebracht. Hierbij vermindert de bandbreedte van de mechanische resonantie tot enkele hertz, waardoor de gevoeligheid van een toekomstige sensor nog beter wordt.
Bovendien is het gepresenteerde component beduidend gemakkelijker te onderhouden dan bestaande oplossingen. “Met slechts twee draden die aangesloten moeten worden, zouden in principe duizenden resonatoren met een druk op de knop kunnen worden uitgelezen”, verklaart Eva Weig. Omdat geen gebruik wordt gemaakt van complexe bediening of storingsgevoelige componenten, moet het proces ook in de toekomst buiten laboratorium omstandigheden kunnen worden gebruikt (NIM, bige).
De werkzaamheden werden door de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) en het FET-Open Projekt QNEMS van de Europese commissie gefinancierd.
