Nanofils suspendus en silicium vibrants à haute fréquence : étude théorique et expérimentale

Suspended silicon nanowires resonating at high frequency : theoretical and experimental study

• Auteur / Autrice : Alexandra Koumela
• Direction : Stephen Thomas Purcell, Laurent Duraffourg, Denis Mercier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 17/01/2013
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....) - Laboratoire de Physique de la Matière Condensée et Nanostructures (Villeurbanne)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Poncharal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stephen Thomas Purcell, Laurent Duraffourg, Denis Mercier, Alistair Rowe, Dimitris Tsoukalas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Bosseboeuf, Lionel Buchaillot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonateurs électriques

Nanosystèmes électromécaniques

Silicium

Nanofils

Mots clés libres

Nanofils de silicium

Top-down

Systèmes nano électromécaniques

Résonateurs

FM

Downmixing

Silicon nanowire

Top-down

NEMS

Resonators

FM

Downmixing

Résumé

La miniaturisation des composants électroniques de l'échelle micro à l'échelle nano a entrainé aussi une miniaturisation des systèmes micro électromécaniques (MEMS). Cependant, la transition de MEMS à NEMS (systèmes nano électromécaniques) ne se résume pas simplement une réduction de taille. En fait, les méthodes d'actionnement et de détection utilisées couramment à l'échelle micro ne sont pas toujours efficaces à l'échelle nano. En plus, la fabrication des composants nanométriques avec des méthodes top-down est un défi à cause des limites de résolution. En surmontant ces difficultés, nous avons fabriqué et caractérisé des résonateurs à base de nanofils en silicium suspendus avec des petites sections de 30nm par 40nm et de longueurs allant de 1.5-3.5μm. L'actionnement de ces résonateurs est électrostatique et la détection est effectué avec deux mécanismes indépendants : (i) l'effet piezo résistif de deuxième ordre et (ii) l'effet de champ. Les mesures en régime statique nous ont permis de valider la présence de ces deux mécanismes et d'extraire les paramètres correspondants tels que le facteur de jauge et la transconductance du nanofil. Aussi, pour la première fois, ces deux principes ont été utilisés en alternance pour détecter la résonance du même nanofil. Les résultats obtenus avec ces transductions sont très prometteurs. La distinction entre les deux méthodes de transduction a été possible grâce à l'hétérodynage qui permet de sélectionner des phénomènes qui se produisent à la fréquence naturelle du dispositif ou au double de cette fréquence. Dans le but d'évaluer les performances de ces résonateurs pour de potentielles applications, nous avons mesuré la variance d'Allan. La stabilité de ces résonateurs pour des temps courts est du même ordre que celle des MEMS en silicium ce qui permet d'envisager l'utilisation de nanofils de silicium pour concevoir des bases de temps. Ces dispositifs nanométriques peuvent également être utilisés comme détecteur de masse avec des résolutions en masse de l'ordre du zg

The continuous miniaturization of electronics from micro to nano scale has impacted also the micro electromechanical systems (MEMS). However, the transition from MEMS to NEMS (nano electromechanical systems) is not only a matter of size. The actuation and detection principles used for efficient transduction at the microscale are not always efficient at the nanoscale. Also, top-down fabrication for nanometric devices becomes challenging due to resolution limits. Overcoming such difficulties, we were able to fabricate and characterize suspended silicon nanowire resonators with cross sections as small as 30nm by 40nm and lengths of 1.5-3.5μm. The actuation of these resonators was electrostatic, while the detection was performed with two independent physical phenomena: (i) the piezoresistive effect of second order and (ii) the field-effect. Measurements in static regime permitted us to validate the presence of these two mechanisms and extract related parameters such as the gauge factor and the nanowire transconductance. Then, for the first time, these two principles were used alternatively on the same silicon nanowire device for resonance detection and showed promising results. The distinction between the two was possible thanks to the down-mixed technique which could differentiate phenomena happening at the natural resonant frequency of the nanowire and twice this frequency. In order to evaluate the performances of these resonators, Allan deviation measurements were performed. It seems that the short-term stability of these devices is in the spectrum of other silicon MEMS devices for time reference applications and that potentially silicon nanowire resonators could be conceived for time keeping. Another potential application of these devices consists in mass sensing with mass resolutions close to the state of the art (<zg)