Une équipe de recherche mixte CEA / Université de Grenoble-Alpes, avec des partenaires internationaux, a développé une technique de diagnostic capable d'identifier les problèmes de performances des nanorésonateurs, un type de nanodétecteur utilisé dans la recherche et l'industrie. Ces systèmes nanoélectromécaniques, ou NEMS, n'ont jamais été utilisés au maximum de leurs capacités. Les limites de détection observées en pratique ont toujours été bien inférieures à la limite théorique et, jusqu'à maintenant, cette différence est restée inexpliquée. En utilisant une approche totalement nouvelle, les chercheurs ont maintenant réussi à évaluer et expliquer ce phénomène. leurs résultats, décrit dans le numéro du 29 février de Nature Nanotechnologie , devrait maintenant permettre de trouver les moyens de pallier ce manque de performance.
Les NEMS ont de nombreuses applications, y compris la mesure de la masse ou de la force. Comme une petite corde de violon, un nanorésonateur vibre à une fréquence de résonance précise. Cette fréquence change si des molécules de gaz ou des particules biologiques se déposent sur la surface du nanorésonateur. Ce changement de fréquence peut ensuite être utilisé pour détecter ou identifier la substance, permettant un diagnostic médical, par exemple. Les dimensions extrêmement réduites de ces appareils (moins d'un millionième de mètre) rendent les détecteurs très sensibles.
Cependant, cette résolution est contrainte par une limite de détection. Un bruit de fond est présent en plus du signal de mesure utile. Les chercheurs ont toujours considéré ce bruit de fond comme une caractéristique intrinsèque de ces systèmes (voir figure 2). Bien que les niveaux de bruit soient significativement plus élevés que prévu par la théorie, l'impossibilité de comprendre les phénomènes sous-jacents a, jusqu'à maintenant, conduit la communauté des chercheurs à les ignorer.
L'équipe de recherche du CEA-Leti et ses partenaires ont passé en revue toutes les mesures de stabilité de fréquence de la littérature, et identifié une différence de plusieurs ordres de grandeur entre les limites théoriques acceptées et les mesures expérimentales.
En plus d'évaluer ce manque à gagner, les chercheurs ont également développé une technique de diagnostic qui pourrait être appliquée à chaque nanorésonateur individuel, utilisant leurs propres résonateurs en silicium monocristallin de haute pureté pour étudier le problème.
La fréquence de résonance d'un nanorésonateur est déterminée par la géométrie du résonateur et le type de matériau utilisé dans sa fabrication. Elle est donc théoriquement fixée. En forçant le résonateur à vibrer à des fréquences définies proches de la fréquence de résonance, les chercheurs du CEA-Leti ont pu mettre en évidence un effet secondaire qui interfère avec la résolution du système et sa limite de détection en plus du bruit de fond. Cet effet provoque de légères variations de la fréquence de résonance. Ces fluctuations de la fréquence de résonance résultent de l'extrême sensibilité de ces systèmes. Tout en étant capable de détecter de minuscules changements de masse et de force, ils sont également très sensibles aux infimes variations de température et aux mouvements des molécules à leur surface. A l'échelle nanométrique, ces paramètres ne peuvent être ignorés car ils imposent une limite importante aux performances des nanorésonateurs. Par exemple, un petit changement de température peut modifier les paramètres du matériau de l'appareil, et donc sa fréquence. Ces variations peuvent être rapides et aléatoires.
La technique expérimentale développée par l'équipe permet d'évaluer la perte de résolution et de déterminer si elle est causée par les limites intrinsèques du système ou par une fluctuation secondaire qui peut donc être corrigée. Un brevet a été déposé pour couvrir cette technique. L'équipe de recherche a également montré qu'aucune des hypothèses théoriques avancées jusqu'à présent pour expliquer ces fluctuations de la fréquence de résonance ne peut actuellement expliquer le niveau de variation observé.
L'équipe de recherche poursuivra donc les travaux expérimentaux pour explorer l'origine physique de ces fluctuations, dans le but d'obtenir une amélioration significative des performances des nanorésonateurs.
