Design, fabrication, and applications of multi-mode nanoelectromechanical systems

Sistemlerin minyatürleştirilmesi ile birlikte mikroelektronik, entegre devre, ve MEMS bazlı sensorler geniş marketlere açılabildi. Mikrofabrikasyon tekniklerindeki gelişmeler sayesinde artık bir mikrondan daha küçük boyutlu yapılar üretilebiliyor. Bu yapıların elektronik cihazlarla kontrolü NEMS alanının başlamasına sebep olmuştur. NEMS, çok küçük boyutları ve yüksek frekanslı tepkileri sayelerinde harici uyarıları rakipsiz bir hassaslıkla ölçebilir. Bu özellikler sayesinde NEMS, sensor uygulamaları için mükemmel bir seçenektir. Günümüzde NEMS, akademik araştırma araçları olmaktan çıkıp seri imalat ile üretilip geniş ölçekte tümleşen cihazlar haline geliyor. Yüksek modlardan elde edilen bilgi NEMS'lerin kabiliyetlerini oldukça arttırıyor. Bu sebeple, yüksek mod uygulamalarında kullanılmak üzere bu modlara ulaşabilen NEMS ürettik. Bu cihazların üretimi, UNAM ve ARL gibi Bilkent Üniversitesi araştırma laboratuvarlarında gerçekleştirildi. Mikrondan küçük yapıların üretimi için elektron demeti litografisinden yararlandık. Termal ve elektron demeti eriticileri ise metalizasyon aşamalarında kullanıldı. Çift ankastreli yapıların serbest bırakılması ise anisotropik silikon nitrat ve isotropik silikon kuru aşındırma teknikleriyle gerçekleştirildi. Üretimin her adımında SEM ve profilometre ile niteleme yapıldı. Üretimi tamamlanan cihazlar ölçümler için baskılı devre kartlarına tutturuldu. Tümleşik bir teknik olan elektrotermal sürücü NEMS'i yüksek modlara sürmek için kullanıldı. Oluşan nanomekanik hareketlerin ölçümü ise piezoresistif frekans-aşağı-kaydırma ile yapıldı. Ölçümleri yüksek frekanslı elektronik ekipman ile yaptık. Bu NEMS'leri kullanarak iki yeni uygulama üzerinde çalışma yaptık. İlk olarak, modlar arası eşleşme etkisini yüksek modlarda kullanmak üzere çift ankastreli kirişler üzerinde çalıştık. Çift ankastreli bir kiriş resonans frekansında sürüldüğü zaman diğer bütün modları değişime uğrar. Bu etkinin sebebi çift ankastreli yapının kirişin uzamasını engelleyerek kiriş üzerine bir gerilim uygulamasıdır. Bu modlar arası eşleşme metodunu kullanarak, bir nanomekanik resonatörü doğal frekansında sürerken, yüksek modlarını sırasıyla yokladık. Ölçüm ekipmanımızın limitinin çok üstünde olan 840 MHz'e kadar mekanik mod ölçümü yapmayı başardık. Modlar arası eşleşme metodunu ölçümü zor olan yüksek modların ölçümü için yeni bir araç olarak sunuyoruz. Son olarak, yapıların enerjisini emen enerji sönümleyicileri nano boyuta adapte ettik. Enerji sönümleyiciler yakınlarındaki yapıların enerjilerini kendi faz uzaylarında hapsedebilen lineer osilatörlerdir. Bu enerji sönümleyicilerin frekansları optimum bir şekilde düzenlendiğinde sonsuz sayıdaki sönümleyicinin etkisini sonlu sayıda sönümleyici kopya edebiliriz. Bu cihazları kullanarak gerçek zamanlı enerji kaybı kontrolü yapalabilen bir NEMS platformu tasavvur ettik. Bu yapıları test etmek amacıyla deneysel bir düzenek kurduk. Enerji sönümleyicili ve enerji sönümleyicisiz NEMS'leri karşılaştırarak enerji sönümleyicilerin nano boyutta enerji kaybı kontrolü için kullanılabileceğini gösterdik.