Материал: Валеев Введение в физику мезоскопических систем 2012

Следует отметить, что ни одном из экспериментов, выполненных к настоящему времени, фундаментальный предел чувствительности NEMS-детектора массы не достигнут, а доминирующим источником шума во всех его реализациях являются внешние по отношению к NEMS-процессы в усилителе электроизмерительной цепи системы. Однако если эти внешние шумы все же удастся уменьшить, NEMS-детекторы позволят осуществить измерения массы с точностью до атомной единицы массы – к такому выводу, во всяком случае, нас приводят оценки фундаментального предела чувствительности этого класса устройств, [68].

8.3.2. Сверхчувствительный NEMS-детектор массы: эксперимент

В качестве яркого примера практического применения наноэлектромеханических систем рассмотрим здесь высокочастотный инерциальный NEMS-детектор массы с чувствительностью 20 зг1, что эквивалентно массе 90 атомов ксенона или массе отдельной молекулы в 12 кДа [70].

На рис. 79 дана схема эксперимента работы [70].

Рис. 79. Принципиальная схема эксперимента по инерционному детектированию массы при помощи NEMS-резонатора [70]

Устройство смонтировано в криогенной сверхвысоковакуумной камере с остаточным давлением ниже 10–10 торр. Газовая форсунка, расположенная на выходе резервуара с ксеноном или азотом, в сочетании с механическим затвором позволяет осуществлять контролируемую импульсную доставку атомов газа на поверхность NEMS-резонатора. Форсунка снабжена распылителем с диаметром выходного отверстия 100 мкм, который поддерживается при тем-

1 Зептограмм (zeptogram): 1 зг = 10–21 г – единица массы в системе СИ.

141

пературе 200 К для предотвращения конденсации газа, и отделена от основного резервуара газа буферным сосудом небольшого объема Vс 100 см–3, температура которого стабилизирована при Тс = = 300 К.

пропорциональна полной скорости доставки адсорбата от форсунки к поверхности NEMS-сенсора, т.е. числу падающих на резонатор атомов или молекул адсорбата в единицу времени. Для полного потока молекул газа, исходящего из форсунки, можно

от отверстия до сенсора).

В (8.31) предполагается, что молекулы газа, падающие на поверхность сенсора, адсорбируются ею с вероятностью единица, а множитель 1/π возник потому, что распылитель считается ламбертовским источником частиц.

На рис. 80 показан график зависимости прироста массы резонатора от времени, полученный в реальном времени при импульсной доставке молекул азота при температуре T = 37 К. Затвор открыва-

L = 2,37 см, АD = 3,45 10-13 м2, скорость адсорбции ∂MD ∂t составила 20,5 зг/с. NEMS-резонатор, изготовленный из карбида кремния, имел фундаментальную частоту ω0 = 190 МГц, габариты: L = = 2,3 мм, w = 150 нм, t = 100 нм, а его добротность Q в рабочем диапазоне температур была порядка 5000.

142

ную частоту резонатора до 1 ГГц, добротность до 104, уменьшить его эффективную массу до 1 10–16 г, чтобы, используя существующую систему считывания с динамическим диапазоном 80 дБ, создать NEMS-детектор массы с чувствительностью порядка одной атомной единицы массы.

9. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

По разным причинам многие очень важные и в различной степени разработанные разделы физики мезоскопических систем не нашли отражения в настоящем издании. Например, мы не сказали ни слова об акустических, оптических и магнитных свойствах мезоскопических систем, о квантовом эффекте Холла, мезоскопических сверхпроводниках и гранулированных проводниках, о переходе Мотта, свойствах сильно локализованных систем и теории перколяции, о молекулярной электронике, спинтронике и физических основах квантового компьютинга, о методах создания наноструктур и способах измерения их физических свойств. Понятно, что с каждым днем этот список только растет. А те вопросы, которые мы обсудили были по необходимости рассмотрены на уровне качественных рассуждений, а не строгого расчета.

Тем не менее, мы надеемся, что наши усилия будут в какой-то мере полезны тем, кто только начинает изучать мезоскопику. Потому что нашей основной задачей было показать, что они не будут разочарованы: ведь главные события в этой науке еще впереди.

143

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Электронные свойства 2DEG в инверсионных слоях Si и в гетероструктурах GaAs-AlGaAs [2]

144

Окончание прил. 11

1 Например, для расчета длины когерентности следует число из соответствующего столбца таблицы умножить на величину абсолютной температуры системы в системе «СИ», а для вычисления циклотронного радиуса необходимо число из соответствующего столбца таблицы разделить на величину индукции магнитного поля, измеренную в Тесла; ответ в обоих случаях получится в нанометрах.

145