Actuation and motion detection of different micro- and nano-structures

par Dmitrii Tumanov

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Jean-Philippe Poizat.

Soutenue le 23-06-2017

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Serge Huant.

Le jury était composé de Julien Claudon.

Les rapporteurs étaient Christophe Couteau, Taha Benyattou.

  • Titre traduit

    Actionnement et détection du mouvement de différentes micro- et nano-structures


  • Résumé

    Cette thèse s’inscrit dans le domaine de l'opto-mécanique et propose l'utilisation de différentes techniques de mesure et de manipulation des propriétés mécaniques de nano-structures.La première partie de ce travail est dédiée aux fils photoniques. Ces objets sont des structures en GaAs en forme de cône inversé, avec une longueur d’une dizaine de µm et un diamètre inférieur au µm, contenant une couche de boîtes quantiques à l'intérieur. Nous avons démontré une méthode de réglage statique du spectre de photoluminescence de ces boîtes quantiques sensibles à la contrainte, en utilisant des nano-manipulateurs pour contraindre mécaniquement les fils. De plus, grâce à la dépendance spatiale du décalage spectral, il est possible d’établir une carte de la position des boîtes quantiques.La deuxième partie de ce travail concerne la mise en mouvement de ces fils photoniques à l’aide d’un faisceau laser modulé à la fréquence de résonance mécanique. Les mécanismes physiques à l’origine de ces effets sont présentés et discutés.Dans la troisième partie, nous présentons une méthode permettant l’observation d'oscillations mécaniques de nano-fils fins (moins de 50 nm de diamètre) en utilisant un microscope électronique à balayage. Cette méthode originale offre la possibilité de contrôler de nombreux types de structures micro et nano-électromécaniques, dont la détection du mouvement n’est pas possible optiquement en raison de la limite de diffraction de la lumière. De plus, cette méthode permet également d'agir sur les propriétés mécaniques des structures via une force de contre-réaction qui devient non négligeable pour ces structures très légères. Cela ouvre la possibilité d'études fondamentales complémentaires liées au refroidissement du mouvement mécanique.


  • Résumé

    This thesis is related to the field of opto-mechanics and the use of different techniques for the measurement and manipulation of mechanical properties of nano-structures.First part of the work is dedicated to the photonic wires. These objects are GaAs structures with an inverted conical shape of length of the order of 10 µm and diameter of less than 1 µm, containing a layer of InAs quantum dots inside. Wide-range static stress-tuning of quantum dots photoluminescence spectrum was demonstrated using nano-manipulators to bend the wires. Additionally, owing to the spatial dependence of the spectral shift, this technique offers the possibility of QD positions mapping.The second part of this work concerns the optical actuation of these photonic wires. A laser beam focused on the wire and modulated at the mechanical resonance frequency can set the wire in motion. The physical mechanisms responsible for these effects are presented and discussed.In the third part is presented a method enabling the detection of mechanical oscillations of small (less than 50 nm in diameter) nanowires with the use of a Scanning Electron Microscope. This original method offers a possibility to detect the motion of many types of micro- and nano-electromechanical devices which are too small to be detected optically owing to light diffraction limit.Moreover, this method also affects the mechanical properties of the structures via a back-action force that becomes non-negligible for such small devices. It opens up the possibility for further fundamental studies related to cooling of the mechanical motion.


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