Single-walled carbon nanotubes as nonlinear mechanical resonators

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.author Häkkinen, Pasi
dc.date.accessioned 2015-07-01T08:11:31Z
dc.date.available 2015-07-01T08:11:31Z
dc.date.issued 2014
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/17017
dc.description.abstract Single-walled carbon nanotubes (SWNTs) possess extraordinary electrical and mechanical properties. They have very high Young's modulus, which means that they are extremely stiff when stretched along the tube axis. Resulting high spring constants and intrinsically low masses of SWNTs make them ideal for fabricating mechanical resonators with high resonance frequencies. The high crystallinity of SWNT samples that can be produced with the state of the art sample fabrication methods ensures very high Q-factors despite the high operation frequencies. In this thesis we report measurement data from a sample demonstrating mechanical resonance frequency of 262 MHz with a quality factor of 256 000. Clamping of a nanotube between metal electrodes naturally forms tunnel barriers to contact interfaces thus creating a quantum dot (QD). It has been previously shown that suspended SWNT devices have a strong coupling between the charge degree of freedom and the mechanical oscillation. Single electron tunneling for example increases damping of the movement and softens the spring constant. In addition, electron-transport-induced Duffing nonlinearity easily pushes the resonator to nonlinear operation regime and dominates the highoscillation amplitude behavior. Our experiments demonstrate first time that higher than third order nonlinearities can dominate the dynamics of SWNT resonators. Addition of a displacement amplitude dependent fifth order term to the Duffing equation of motion qualitatively explains the measurement results. When the cubic and fifth order terms are of the same magnitude but have opposite signs, the higher order nonlinearity presents itself as mixed hardening and softening behavior observed as a function of oscillation amplitude within a single response curve. The single electron tunneling induced Duffing parameter allows compensating the cubic term out of the equation of motion causing the high amplitude oscillation to be limited by the fifth order term. We have also studied if the mechanical oscillation can be used for improving the charge sensitivity of the carbon nanotube QD. We found 5.2 ?e/(Hz)1/2 at 73 Hz in the conventional single electron transistor (SET) operation scheme where the Coulomb blockade induced conductance variation was used for signal amplification. Driving the mechanical resonance far in to the nonlinear regime causes a prominent gate voltage dependent change in to the low frequency conductance of the QD. Optimal sensitivity was found by biasing the QD to a charge degeneracy point, where only the mechanical oscillation induced transconductance contributes to the sensitivity. The smallest measured value was 1.37 ?e/(Hz)1/2, which is almost four times better than in the conventional SET scheme. It sets a new record for low frequency SETs and all CNT devices. The reached sensitivity is also very good when compared to the record holding metallic radio frequency SETs. en
dc.description.abstract Yksiseinämäiset hiilinanoputket omaavat poikkeukselliset sähköiset ja mekaaniset ominaisuudet. Nanoputkien Youngin moduuli on erittäin suuri, mikä tarkoittaa, että putki on erittäin jäykkä pituussuunnassa venytettäessä. Korkeasta kimmokertoimesta seuraava suuri jousivakio ja nanoputken molekyyliluonteesta johtuva pieni massa takaavat nanoputkilaitteille niiden tyypilliset korkeat mekaaniset resonanssitaajudet. Korkeista resonanssitaajuuksista huolimatta myös mekaaniset Q-arvot ovat erittäin suuria, minkä mahdollistavat nykyaikaiset näytteenvalmistusmenetelmät, joilla kyetään tuottamaan miltei täydellisen kiderakenteen omaavia ripustettuja nanoputkia. Tässä työssä esittelen mittaustuloksia näytteestä, jonka resonanssitaajuus on 262 MHz ja Q-arvo 256 000. Kun nanoputki kytketään kahden elektrodin väliin, rajapintoihin muodostuu tunneliliitokset joiden ansiosta elektronien energiatilat kvantittuvat. Varausvapausaste ja mekaaninen värähtely ovat toisiinsa voimakkaasti kytkeytyneitä, mikä nähdään muun muassa lisääntyneenä mekaanisen värähtelyn vaimennuksena ja jousivakion pienenemisenä. Lisäksi, varauskuljetuksen indusoima Duffing, kuutiollinen, epälineaarisuus on riittävän suuri ajamaan mekaanisen resonaattorin kauas epälineaariselle toiminta-alueelle. Tässä työssä näytämme ensimmäistä kertaa, että kolmatta astetta korkeammat epälineaarisuudet voivat dominoida mekaanisen hiilinanoputkiresonaattorin dynamiikkaa. Tulokset voidaan selittää laadullisesti lisäämällä Duffing-liikeyhtälöön poikkeaman viidennestä potenssista riippuva termi. Edellyttäen että epälineaarisuustermit ovat suuriamplitudisessa värähtelyssä samaa suuruusluokkaa ja niiden merkit ovat vastakkaiset, viidennen asteen termin vaikutus nähdään resonanssikäyrän suuremmille/pienemmille taajuuksille taipumisen jälkeen havaittavana matalammille/korkeammille taajuuksille kääntymisenä. Varauksen kuljetuksen indusoima Duffing-parametri mahdollistaa kuutiollisen epälineaarisuuden kompensoinnin, jolloin korkeamman asteen termi dominoi suuren amplitudin liikettä. Mekaanisten epälineaarisuuksien lisäksi tutkimme kuinka mekaanista värähtelyä voidaan käyttää laitteen varausherkkyyden parantamiseen. Perinteisessä yksielektronitransistori mittauksessa, jossa hyödynnettiin ainoastaan Coulombin saarrosta seuraavaa johtavuuskäyttäytymistä, saavutettiin varausherkkyys 5.2 ?e/(Hz)1/2 taajuudella 73 Hz. Mekaanisen värähtelyn ajaminen kauas epälineaariselle alueelle aiheuttaa nanoputkikanavan matalataajuusjohtavuuteen voimakkaan gatejänniteriippuvuuden. Paras varausherkkyys, 1.37 ?e/(Hz)1/2, saavutettiin biasoimalla näyte varausdegeneraatiopisteeseen eli pisteeseen, jossa ainoastaan mekaanisen oskillaation aiheuttama trankonduktanssi vaikuttaa mittaukseen. Tulos on tietääksemme ennätys matalataajuusyksielektronitransistoreille ja kaikille nanoputkilaitteille. Tulos on myös kilpailukykyinen verrattaessa radiotaajuuksilla operoitaviin yksielektronitransistorilaitteisiin. fi
dc.format.extent v + 71 s.
dc.language.iso en en
dc.title Single-walled carbon nanotubes as nonlinear mechanical resonators en
dc.title Yksiseinämäiset hiilinanoputket epälineaarisina mekaanisina resonaattoreina fi
dc.type G2 Pro gradu, diplomityö fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.subject.keyword hiilinanoputket fi
dc.subject.keyword nanomekaniikka fi
dc.subject.keyword epälineaariset mekaaniset resonaattorit fi
dc.subject.keyword epälineaarisuuksien kompensointi fi
dc.subject.keyword elektrometria fi
dc.subject.keyword carbon nanotubes en
dc.subject.keyword nanomechanics en
dc.subject.keyword nonlinear mechanical resonators en
dc.subject.keyword nonlinearity compensation en
dc.subject.keyword electrometry en
dc.identifier.urn URN:NBN:fi:aalto-201507013659
dc.type.dcmitype text en
dc.programme.major Fysiikka fi
dc.programme.mcode Tfy-3
dc.type.ontasot Diplomityö fi
dc.type.ontasot Master's thesis en
dc.contributor.supervisor Hakonen, Pertti


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account