Thermische Schwingungen sichtbar gemacht

  • 21. November 2014

Hochsensible Interferenzspektroskopie visualisiert die Schwingungsmoden der Brownschen Bewegung.

Mechanische Mikroresonatoren finden breite Anwendung in Forschung und Technik. Sei es in der Hoch­frequenz­elektronik oder als sensible Mess­instru­mente in der Grund­lagen­forschung – die exakt definierten Resonanz­frequenzen mechanischer Schwingungen stehen hoch im Kurs. Es schwingen mikroskopisch kleine Balken, Nanoröhrchen, Membranen und vieles mehr. Nun haben Forscher der Case Western Reserve University ein neuartiges Resonator­modell vorgestellt. Es ermöglicht eine hochsensible, optische Messung der verschiedenen Schwingungs­moden in einer Mikroscheibe bis hinab an die funda­mentale Grenze – die Brownsche Bewegung.

Der Spalt zwischen Mikroscheibe und Substrat wirkt wie ein Interferometer (oben). Es machte die Brownsche Bewegung der Scheibe bis zur 9. Ordnung sichtbar

Abb.: Der Spalt zwischen Mikroscheibe und Substrat wirkt wie ein Inter­fero­meter (oben). Es machte die Brownsche Bewegung der Scheibe bis zur 9. Ordnung sichtbar (unten; Bild: Z. Wang et al., CWRU)

Die Scheibe ist 500 nm dick, hat einen Durchmesser von etwa 30 µm und besteht aus durchsichtigem Silizium­karbid. Damit sie möglichst frei schwingen kann, ist sie lediglich über einen zentralen Sockel mit einem Silizium­substrat verbunden. Zur Herstellung eines solchen Mikro­resonators erzeugten die Forscher zunächst mittels chemischer Gasphasen­abscheidung eine Schicht SiC auf der abschließenden Silizium­dioxid­schicht eines Silizium­wavers. Danach schnitten sie die Scheibe mithilfe eines fokussierten Ionen­strahls aus und ätzten das darunter liegende SiO2 weg, bis nur noch ein runder Sockel in der Mitte blieb. Der so entstandene Spalt zwischen Scheibe und Substrat ist, ebenso wie die Dicke der Scheibe, sehr genau definiert.

Diese geometrische Präzision ist der entscheidender Faktor zur Realisierung der hoch­sensiblen Messung. Beleuchtet ein Laser die Scheibe von oben, so wirken die beiden Grenzflächen an der Unterseite der Scheibe und der Oberfläche des Silizium­substrats wie zwei Spiegel eines Interferometers. Die Schwingungen der Scheibe modulierten die Dicke des Spalts und konnten so über Inter­ferenz­effekte genau vermessen werden. Eine spektrale Analyse des Inter­ferenz­signals lieferte die Frequenzen der verschiedenen Schwingungs­moden ohne jegliche äußere Anregung. Die Mess­ergeb­nisse beruhten also aus­schließlich auf den intrinsischen thermischen Fluktu­ationen in der Scheibe. Die Amplituden der Moden nahmen mit höheren Ordnungen immer weiter ab. Dennoch gelang es, sie bis zur neunten Ordnung eindeutig nachzuweisen.

Um die räumliche Struktur der verschiedenen Moden sichtbar zu machen, nahmen sich die Forscher jede der gemessenen Frequenzen einzeln vor. Sie scannten die Scheibe mit dem fokussierten Laserstrahl ab und maßen die Amplitude der jeweiligen Schwingung. „Was wir fanden, war in Überein­stimmung mit den erwarteten Brownschen Bewegungen höherer Ordnung“, sagt Philip Feng, Assistenzprofessor an der Case Western Reserve University und Seniorautor der Studie, „Aber es war schon ziemlich erstaunlich und aufregend, diese Moden bis zur fundamentalen Grenze der Brownschen Bewegung sichtbar zu machen.“

Anwendungen für ihre Mikro­scheiben­resonatoren erwarten sich die Wissen­schaftler vor allem im Multimode Sensing. Diese Messmethode ermöglicht Rück­schlüsse auf die Eigen­schaften adsorbierter Partikel anhand der Veränderungen in den Resonanz­frequenzen des Substrats. Mikro­scheiben­resonatoren hätten gegenüber den bisher üblichen schwingenden Balken nicht nur Vorteile aufgrund in der Genauigkeit der Messung, sie würden auch mehr Fläche für das zu unter­suchende Adsorbat bieten.

Thomas Brandstetter

OD

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