Объединив структуру микронного размера, по форме напоминающую лопасть, с поддерживающими ее наностержнями, ученые из США разработали новый тип наномеханического термодатчика. Принцип действия получившегося устройства, выполненного из кремния с использованием стандартных методов, основан на идее крутильного резонатора. Устройство чрезвычайно чувствительно к инфракрасному излучению и поэтому может быть использовано в качестве идеального теплового и инфракрасного датчика для нового поколения электронных компонент.

В общем случае крутильный резонатор представляет собой закрепленную при помощи двух тонких стержней (расположенных по одной оси) прямоугольную плоскую лопасть. Когда на лопасть воздействует определенная сила, она колеблется с некой (характерной для нее) частотой. При этом существует два основных варианта подобных колебаний: так называемый крутильный режим (когда лопасть вращается то в одну, то в другую сторону вдоль оси стержней), а также режим изгиба (когда лопасть колеблется вверх и вниз, перпендикулярно оси стержней).

В своей последней работе группа ученых из California Institute of Technology (США) предложила использовать схему крутильного резонатора для создания наноразмерного теплового датчика. Для этого команда покрыла поверхность микролопасти из кремния материалом, который поглощает инфракрасное излучение (в их эксперименте – нитридом титана). Далее между лопастью и подложкой прикладывалось переменное напряжение, порождающее силу, которая заставляла резонатор колебаться.

Как упоминалось выше, крутильный резонатор имеет характерную резонансную частоту, при которой амплитуда колебаний максимальна. Когда устройство подвергается воздействию инфракрасного излучения, оно нагревается, и в результате резонансная частота смещается. Отслеживая эти изменения частоты, ученые получили возможность определить интенсивность ИК-излучения, действовавшего на устройство.

Благодаря крошечным размерам опор крутильного резонатора (стержни, на которых была закреплена лопасть, были выполнены из кремниевых нанопроводов; их длина составляла 1 мкм, а диаметр – всего 50–100 нм) созданное устройство оказывается очень хорошо изолированным от окружающей среды.

Это означает, что даже небольшого количества инфракрасного излучения достаточно для нагрева и изменения его резонансной частоты. Стоит также отметить, что описанное устройство было создано учеными с использованием стандартных металлов и полупроводников (и сравнительно простых методик). Это автоматически означает, что

идея создания подобных «тепловизоров» может быть легко масштабирована на целые массивы резонаторов.

Как считают ученые, созданные ими датчики могут работать столь же эффективно, как и некоторые существующие устройства, требующие охлаждения до криогенных температур.

В отличие от них, крутильному резонатору не требуется охлаждения, что делает его потенциально применимым в различных портативных устройствах, к примеру, очках ночного видения, инструментах домашнего видеонаблюдения или, возможно, даже в новом поколении камер для смартфонов.

В ближайшем будущем исследователи планируют работать над дальнейшим уменьшением габаритов устройств, а также улучшением используемых материалов, чтобы и далее совершенствовать характеристики датчика.

Одновременно будут рассмотрены методики, позволяющие масштабировать производство с одного на массив структур. Работая в этом направлении, группа надеется интегрировать датчики в CMOS-электронику, что облегчит управление и считывание показаний с множества элементов.

Подробные результаты работы ученых представлены в журнале Nano Letters.