Analysis of device properties of silicon nitride membrane nanoelectromechanical resonators for future optomechanical thermometry applications
Analyse des propriétés des résonateurs nanoélectromécaniques à membrane en nitrure de silicium pour les futures applications de thermométrie optomécanique
Résumé
Micro-nano-electromechanical resonators play a more and more important role in various domains, such as sensing, high frequency communications, and even in fundamental research. They allow mechanical displacement to be coupled with electrical signals for both detection and manipulation. So far, researchers continue to develop new device designs in order to meet various requirements in applications. More recently, membrane nanoelectromechanical resonators have been developed, consisting of a silicon nitride membrane capacitively coupled to an aluminium suspended top-gate drum. This unique design not only provides large coupling capacitance to external electrical circuits but allows to study mechanical and electrical mode coupling.In this thesis we have focused on the study of this type of nanoelectromechanical resonator. In the theoretical analysis, we have modeled this silicon nitride membrane nanomechanical resonator as a parallel plate capacitor. The simple motion equations allow us to analyze parametric amplification in both non-degenerate and degenerate cases, in the linear response region. In addition, a double-tone driving scheme has also been investigated, through an analogy to optomechanical system. Besides, we also modeled both nanoelectromechanically induced transparency and amplification based on mode coupling between the two silicon nitride membrane and aluminium top-gate resonators. In the following part of nanofabrication, we have presented critical fabrication process in achieving the device. Both reflow step and dry etching step have been discussed and analyzed. In the measurement part, besides of basic characterization of mechanical properties through aluminium gate, we exploit scanning microwave microscopy to investigate this silicon nitride membrane resonators, such as spatial mapping of mechanical modes. The interaction between the AFM tip and the membrane has been simulated based on a capacitive coupling. Besides, double-tone driving techniques have also been demonstrated through coupling the AFM tip mode to the membrane mode. In addition, we also discussed microwave optomechanical system in which this membrane resonator is capacitively coupled to a microwave cavity, for developing microwave optomechanical thermometer in the future.
Les micro-nano-résonateurs électromécaniques jouent un rôle de plus en plus important dans divers domaines, tels que les capteurs, les communications à haute fréquence et même la recherche fondamentale. Ils permettent de coupler un déplacement mécanique à des signaux électriques à des fins de détection ou de manipulation. Jusqu'à présent, les chercheurs ont régulièrement développé des nouvelles formes de dispositifs afin de répondre aux diverses exigences des applications. Récemment, des résonateurs nanoélectromécaniques à membrane ont été mis au point. Ils se composent d'une membrane en nitrure de silicium couplée de manière capacitive à une grille en aluminium suspendue au-dessus de la membrane. Cette conception unique fournit une grande capacité de couplage aux circuits électriques externes, et permet également d'étudier le couplage des modes mécaniques et électriques.Dans cette thèse, nous nous sommes concentrés sur l'étude de ce type de résonateur nano-électromécanique. Dans l'analyse théorique, nous avons modélisé ce résonateur nanomécanique à membrane en nitrure de silicium et grille en aluminium comme un condensateur à plaques parallèles. Les équations du mouvement nous permettent d'étudier l'amplification paramétrique de la membrane dans les cas dégénérés et non dégénérés, en régime de réponse linéaire. En outre, un schéma de commande à double signal (un sur la membrane et un sur la grille) a également été étudié, par analogie avec le système optomécanique. Nous avons modélisé la transparence et l'amplification induites par le couplage de mode entre les deux résonateurs à membrane SiN et à grille supérieure en Al. Dans la partie suivante, nous avons présenté les procédés de nanofabrication critiques pour la réalisation du dispositif. L'étape de fluage et l'étape de gravure plasma ont été discutées et analysées. Dans le chapitre dédié aux mesures, en plus de la caractérisation de base des propriétés mécaniques de la membrane actionnée capacitivement par la grille en Al, nous exploitons la microscopie à micro-ondes à balayage (SMM) pour étudier les résonateurs à membrane en nitrure de silicium, en réalisant une cartographie des modes mécaniques. L'interaction entre la pointe AFM et la membrane a été simulée sur la base d'un couplage capacitif. En outre, la technique de caractérisation à double signal a également été utilisée en couplant le mode de la pointe AFM au mode de la membrane. Par ailleurs, nous présentons un système optomécanique à micro-ondes dans lequel ce résonateur à membrane est couplé capacitivement à une cavité à micro-ondes, afin de développer à l'avenir un thermomètre optomécanique à micro-ondes.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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