Elastische Eigenschaften nanomechanischer Resonatoren

Das Projekt wurde im Zuge des A06 Projektes des SFB 767 "Controlled nanosystems" gestartet.

Das Oszillationsverhalten nanomechanischer Resonatoren (Si) in Brückengeometrie (Nanobrücken) wurde mittel Molekulardynamik (MD) Simulationen unter Verwendung von (semi-) empirischen Wechselwirkungspotentialen wie dem Sillinger-Weber für Si, studiert. Nach dem Aufsetzen einer Anfangsstruktur beispielsweise im Diamantgitter für Si wird eine (2x1) symmetrische Dimer-Oberflächenrekonstruktion durchgeführt, wobei die Endpunkte der Brücke fixiert sind. Mit einer konstanten externen Kraft über alle Atome hinweg wird für eine Krümmung des Drahtes gesorgt. Nach dem Abschalten der externen Kraft kann die Brücke frei schwingen.

Neben der Brückengröße wurde noch der Einfluss der Temperatur und verschiedener Vorspannungen (Streckungen) des Drahtes untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine abnehmende Oszillationsfrequenz und eine stark steigende Dämpfung mit steigender Temperatur, eine stark steigende Frequenz mit zunehmender Vorspannung und eine Abnahme der Frequenz mit zunehmender Länge.
Neben Si wurden auch andere Materialien wie zum Beispiel NiTi (Gedächtnislegierung) untersucht.

Neben der Brückengeometrie wurden auch Arbeiten zu Membranen durchgeführt. Ein Beispiel für eine angeregte Membran bei der zu Beginn Trommelmoden zu sehen sind, ist unten im Video zu sehen.

Trommelmoden

Synchronisation von Nanobrücken

Zur Untersuchung der Synchronisierung zweier gekoppelter Silizium-Nanobrücken wurden
Molekulardynamik-Simulationen, mithilfe des quelloffenen Programmcodes LAMMPS, durchgeführt. Dabei wurde eine der beiden Brücken verlängert um eine Verstimmung in den autonomen Frequenzen der beiden Resonatoren zu erzeugen. Mit einer in der Zeit sinusförmigen und räumlich homogenen Kraft wurde eine der beiden Brücken extern getrieben, wobei die Frequenz der Kraft auf die der Brücke abgestimmt wurde. Es wurde dann die Schwerpunktsauslenkung der beiden Oszillatoren, sowie deren Synchronisierung in Frequenz und Phase, untersucht.
Die Ergebnisse zeigen bei tiefen Temperaturen ein stufenförmiges Auseinanderlaufen in der Phasendifferenz, wobei einige äquidistante Plateaus beobachtet werden. Bei hohen Temperaturen hingegen lässt sich eine zeitlich konstante Phasendifferenz beobachten. Durch eine Verstimmung in den Frequenzen zwischen Oszillator und treibender Kraft lässt sich zudem der Einfluss der Stärke der Kraft auf die Synchronisierung untersuchen. Es zeigt sich, dass bei höherer Frequenzverstimmung eine dementsprechend höhere externe Kraft notwendig ist um die beiden Schwingungen zu synchronisieren.

d) Referenzen

e) Externe Links zu Programmen, Potentialen, etc.

  1. LAMMPS. S. Plimpton, J. Comput. Phys. 117, 1 (1995). (http://lammps.sandia.gov)
  2. Allgemeine Potentiale LAMMPS http://www.ctcms.nist.gov/potentials/
  3.  EAM-Potentiale FCC-Metalle H. W. Sheng, M. J. Kramer, A. Cadien, T. Fujita, and M. W.
    Chen, Phys. Rev. B 83, 134118 (2011). (https://sites.google.com/site/eampotentials/)

f) Buchreferenz