Hochempfindlicher Nano-Sensor entwickelt

Ob in der Medizin, Pharmazie oder Lebensmitteltechnik: überall spielt der Nachweis von sehr geringen Konzentrationen einer Substanz eine wichtige Rolle. Aussichtsreiche Kandidaten für entsprechende Sensoren sind sogenannte nanomechanische Resonatoren. Dabei handelt es sich um vibrierende Nano-Saiten, deren Schwingung sich messbar ändert, sobald der nachzuweisende Stoff daran bindet. In den letzten Jahren sind diese Verfahren soweit perfektioniert worden, dass einzelne Atome detektiert werden können. Diese Analysen sind jedoch aufwendig, benötigen teure Geräte und funktionieren häufig nur bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt. Physiker der LMU München haben jetzt eine kompakte Sensor-Architektur im Nanometer-Maßstab entwickelt, die einfach zu bedienen ist und bei Raumtemperatur arbeitet. Die Gruppe wird geleitet von Dr. Eva Weig, die auch Mitglied der Nanosystems Initiative Munich (NIM) ist. Die Arbeit der Wissenschaftler baut auf einer elektronischen Schnittstelle für nanomechanische Resonatoren auf, deren Prinzip sie bereits im Jahr 2009 in Nature veröffentlichten. Nun gelang es den Wissenschaftlern, eine integrierte Plattform für nanoelektromechanische Sensoren zu implementieren, mit der winzige Auslenkungen empfindlich und gleichzeitig robust ausgelesen werden können.

Im Zentrum des Nano-Sensors steht eine rund 50 Mikrometer lange und 200 Nanometer breite Saite aus Siliziumnitrid. Sie ist unter starker Zugspannung zwischen zwei Sockeln aus Quarz aufgehängt und wird rechts und links von je einer parallel laufenden, leicht erhöht angebrachten Goldelektrode flankiert. Die hohe Zugspannung bewirkt eine hohe mechanische Güte und führt dazu, dass die Saite mit sehr geringer Anregungsenergie zum Schwingen gebracht werden kann.

Die beiden Goldelektroden wirken als Kondensator. Das elektrische Feld, das beim Anlegen einer Spannung entsteht, koppelt an die Nano-Saite. In der 2009 in Nature publizierten Vorgängerarbeit wurde dieser Effekt zum Antreiben und Durchstimmen der Saitenschwingung eingesetzt. Nun wird er benutzt, um die Schwingung der Saite höchst empfindlich zu detektieren. Das vorgestellte Messprinzip basiert auf einer simplen Tatsache: Schwingt die Nano-Saite im elektrischen Feld auf und ab, so ändert sich die Kapazität zwischen den beiden Elektroden. Mit einer eleganten Ergänzung des bestehenden Versuchsaufbaues ist es den Münchner Wissenschaftlern gelungen, dieses winzige Signal nachzuweisen. Dazu bauten sie einen sogenannten Mikrowellen-Schwingkreis als Signal-Verstärker ein.

Dieser Schwingkreis entspricht einer Schaltung aus einer Spule und einem Kondensator, der mit den Goldelektroden verbunden wird. Er wird von einem Mikrowellensignal gespeist und überträgt das kombinierte Signal der Nano-Saite und des Mikrowellen-Schwingkreises. Auf diese Weise wird das von der vibrierenden Nano-Saite erzeugte Signal verstärkt, so dass selbst ihre thermische Bewegung sichtbar gemacht werden kann. Zusätzlich kann ein Mikrowellen-Schwingkreis nicht nur eine, sondern gleichzeitig zahlreiche Nano-Saiten auslesen, was die Benutzung deutlich vereinfacht.

"Hierdurch können in Zukunft hochintegrierte Sensoren entwickelt werden", sagt Thomas Faust, der Erstautor der Studie.

Neben der damit erreichten Steigerung der Detektionsempfindlichkeit konnten die Forscher zeigen, dass der Mikrowellen-Schwingkreis auch direkt in die Schwingung des nanomechanischen Resonators eingreifen kann. So kann die Schwingung der Nano-Saite durch die Rückwirkung des Schwingkreises direkt angetrieben und in Selbstoszillation versetzt werden. Hierbei verringert sich die Linienbreite der mechanischen Resonanz auf einige Hertz, wodurch sich die Empfindlichkeit eines zukünftigen Sensors nochmals erhöht.

Darüber hinaus ist das vorgestellte Bauteil deutlich einfacher zu handhaben als bestehende Lösungen. "Mit nur zwei Kabeln, die angeschlossen werden müssen, können im Prinzip tausende Resonatoren auf Knopfdruck ausgelesen werden.", erklärt Eva Weig. Da auf kompliziert zu bedienende und störanfällige Komponenten komplett verzichtet werden konnte, soll das Verfahren in Zukunft auch abseits von Laborbedingungen eingesetzt werden können.

Quelle: idw / Universität München