Institut Néel Grenoble

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Développements de micro et nano oscillateurs mécaniques en Silicium aux basses températures

Micromécanique à basse température
Il existe à l’heure actuelle un réel engouement pour la réalisation expérimentale et l’étude de micro-systèmes mécaniques (et même aujourd’hui de nano-systèmes). On parle de MEMS (pour "micro-electro-mechanical-systems" en anglais). De tels systèmes (la plupart réalisé en silicum) ont de nombreuses applications technologiques, allant des micro-moteurs et autres micro-actionneurs et micro-détecteurs ("miroirs-switchs" d’un projecteur vidéo, accéléromètre d’un airbag, etc...), à des objets plus surprenants comme des micro-balances dédiées à la biologie.
L’étude micro-mécanique de ces objets est évidemment un sujet de physique en soi  ; ainsi peut-on étudier les phénomènes de relaxation, et les comportements non-linéaires. Dans ces études, la température devient un paramètre physique de contrôle, qui nous renseigne sur les mécanismes physiques sous-jacents. Aussi aux plus basses températures, des MEMS spécialement conçu peuvent avoir des applications spécifiques, autant technique que physique. C’est un sujet que le groupe ultra-basses températures se propose de développer dans les années à venir.

A titre d’exemple, voici ci-contre un "fil vibrant de silicium" [18]. De tels oscillateurs pourraient supplanter les fils vibrants classiques pour réaliser des thermomètres très performants vers 100 µK. Ces oscillateurs sont réalisés à partir d’un wafer de silicium, dans lequel on a percé une fenêtre (par attaque chimique) qui ne laisse qu’une fine membrane sur l’un des côtés (typiquement 10 µm). Cette membrane est recouverte de métal, et texturée par attaque ionique réactive (RIE). La structure oscillante est le portique ci-contre de silicium, recouvert d’une couche de métal (ici du niobium, supraconducteur à basse température).

Fil vibrant microfabriqué pour la thermométrie dans l’3He-B. Ses caractéristiques mécaniques sont excellentes.

Nous nous sommes intéressés à la caractérisation mécanique à basse température de ces oscillateurs (typiquement de 10 mK à 30 K). Des tests préliminaires dans l’⁴He ont été réalisés [22].
A titre d’alternative aux fils classiques, l’équipe de Helsinki à également proposé d’utiliser des diapasons de quartz (les mêmes que ceux donnant la base de temps des montres). Nous poursuivons également ces investigations, et comparons les différents "vibreurs" disponibles aux plus basses températures.
Au-delà de l’étude des fluides (quantiques) à basse température, de la viscosimétrie, et de la thermométrie de précision, la réalisation d’oscillateurs de silicium aux géométries assez spéciales a comme application ("technologique") directe le projet ULTIMA (détection de la matière noire), par l’optimisation des bolomètres à ³He superfluide.

Nanomécanique à basse température
En diminuant encore la taille de ces structures, on arrive dans le domaine de la nano mécanique. Les questions posées par ces nouveaux objets sont multiples, avec par exemple : nos descriptions mécaniques sont elles encore valables à si petite échelle ? Peut-on à nouveau expliquer les régimes non-linéaires de ces nano poutres simplement ? Que ce passera-t-il lorsque ces oscillateurs mécaniques seront assez froid pour théoriquement être dans leur état fondamental de vibration ? Notre équipe développe cette voie, en collaboration avec Olivier Bourgeois de l’Institut Néel (groupe thermodynamique des petits systèmes). Ci-dessous, nous montrons une image MEB d’un échantillon NEMS ("nano-electro-mechanical-system") réalisé au cours de cette collaboration.

	Voici ci-contre un "fil vibrant de silicium, à l’échelle NEMS". Ces oscillateurs sont réalisés à partir d’un wafer de SOI (silicon on insulator), dont la couche sacrificielle d’oxyde est gravée par une attaque chimique HF. Un métal est évaporé en pleine couche pour contacter le système (ici de l’aluminium). Echantillon issue de la collaboration avec O. Bourgeois, Institut Néel.
NEMS de même géométrie que les micro-oscillateurs déjà étudiés. La largeur/épaisseur de la structure est 200 nm, pour une longueur de environ 10 µm.