Nanomechanik mit höchstem Gütefaktor: ein monolithischer Ansatz

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Heiko B. Weber; Professorin Dr. Eva M. Weig
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 565790649

Nanomechanische Resonatoren haben ein beeindruckendes Niveau an Qualität und Kontrolle erreicht, so dass vielversprechende Anwendungen im Bereich der klassischen sowie der Quantentechnologien in Aussicht stehen. Insbesondere Siliziumkarbid (SiC) hat das Potenzial, eine führende Technologieplattform in diesem Bereich zu werden. Dies ist eine Folge seiner hervorragenden Materialeigenschaften, die bisher unerreichte mechanischen Qualitätsfaktoren vorhersehen, sowie der Verfügbarkeit von Material und Verarbeitungstechniken im Wafer-Maßstab. Das vorgeschlagene Projekt soll dieses Potenzial erschließen. Wir werden uns auf nanomechanische Resonatoren aus einkristallinem 4H-SiC konzentrieren. Ziel ist eine Maximierung des mechanischen Qualitätsfaktors entlang zweier komplementärer Wege. Einerseits soll der intrinsische Qualitätsfaktor durch die systematische Unterdrückung von Dissipationskanälen erreicht werden. Andererseits soll der so erreichte Qualitätsfaktor durch den Aufbau einer mechanischen Zugverspannung “verdünnt” werden. Das Konzept der “dissipation dilution” verspricht eine signifikante Erhöhung des Qualitätsfaktors. Ferner planen wir eine monolithische Integration elektronischer Funktionalität. Um diese Ziele zu erreichen, müssen eine Reihe von technologischen und wissenschaftlichen Fragen angegangen und gelöst werden. Sie definieren die Hauptziele des Projekts: (1) Verständnis der vorherrschenden Dissipationsmechanismen. Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für deren schrittweise Abschwächung. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Erforschung der durch Phononenstreuung vermittelten fundamentalen Dissipation. (2) Entwicklung von Prozessroutinen zur Herstellung der Resonatoren höchster Perfektion und Entwicklung neuer Designkonzepte zur Verbesserung ihrer Qualität. Dazu gehört die Unterdrückung aller extrinsischen sowie volumen- und oberflächenbegrenzten Verluste, um sich der Grenze der durch Phononenstreuung vermittelten Verluste zu nähern, und insbesondere der Quantengrenze der Dissipation (Akhiezer-Dämpfung). (3) Integration einer Zugvorspannung des Resonatormaterials. Das Konzept der “dissipation dilution” verspricht eine Erhöhung des intrinsischen Qualitätsfaktors um mehrere Größenordnungen. Die Zugvorspannung kann jedoch wiederum die Kristallqualität beeinträchtigen und somit den intrinsischen Qualitätsfaktor verringern. (4) Erarbeiten einer integrierten elektrischen Ansteuerung auf der Grundlage epitaktischen Graphens auf SiC. Charakterisierung der Funktionalität sowie ihrer Auswirkungen auf den Qualitätsfaktor. Unser monolithischer Ansatz zielt darauf ab, eine noch nie dagewesene Qualität und Kontrolle nanomechanischer Resonator en zu erreichen und gleichzeitig die mechanische Funktionalität der SiC-Plattform zu verbessern. Dies schafft die Voraussetzung für eine zukünftige Integration sowohl in klassische als auch in Quantenanwendungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen