Evidence of surface loss as ubiquitous limiting damping mechanism in SiN micro- and nanomechanical resonators

Silicon nitride (SiN) micro- and nanomechanical resonators have attracted a lot of attention in various research fields due to their exceptionally high quality factors ($Q$s). Despite their popularity, the origin of the limiting loss mechanisms in these structures has remained controversial. In this paper we propose an analytical model combining acoustic radiation loss with intrinsic loss. The model accurately predicts the resulting mode-dependent $Q$s of a low-stress silicon-rich and a high-stress stoichiometric SiN membrane. The large acoustic mismatch of the low-stress membrane to the substrate seems to minimize radiation loss and $Q$s of higher modes ($n \wedge m \geq 3$) are limited by intrinsic losses. The study of these intrinsic losses in low-stress membranes with varying lengths $L$ and thicknesses $h$ reveals an inverse linear dependence of the intrinsic loss with $h$ for thin resonators independent of $L$. This finding was confirmed by comparing the intrinsic dissipation of arbitrary (membranes, strings, and cantilevers) SiN resonators extracted from literature, suggesting surface loss as ubiquitous damping mechanism in thin SiN resonators with $Q_{surf} = \beta \cdot h$ and $\beta = 6\times10^{10} \pm4\times 10^{10}$~m$^{-1}$. Based on the intrinsic loss the maximal achievable $Q$s and $Q\cdot f$ products for SiN membranes and strings are outlined

Development of cantilevers for biomolecular measurements

Consultable des del TDXTítol obtingut de la portada digitalitzadaAquesta tesi ha estat realitzada al Centre Nacional de Microelectrònica, Institut de Microelectrònica de Barcelona (CNM-IMB) que és un institut d'investigació que forma part del Consell Superior d'Investigacions Científiques (CSIC). La memòria és un recull de la feina realitzada per en Luis Guillermo Villanueva Torrijo sota la direcció del Professor d'Investigació Joan Bausells Roigé al període comprès entre setembre de 2002 i octubre de 2006. El treball queda dividit en tres apartats, tots tres relacionats amb el disseny i la fabricació de bigues de mida micromètrica (micro-cantilevers en anglès) per a diferents aplicacions. Al segon capítol es descriu la feina realitzada amb bigues piezoresistives. L'objectiu fonamental d'aquesta part del treball consistia en la fabricació d'un element sensor capaç de detectar forces dins del rang de 10 a 100 pN. Per això, en primer lloc, es va realitzar una anàlisi teòrica del comportament d'aquestes estructures mecàniques quan se les hi aplica una força al seu extrem lliure. També es va estudiar el soroll (tant electrònic com mecànic) que presentaven. D'aquesta manera, es van establir uns criteris per a la maximització de la sensibilitat i la resolució del sensor. Els resultats analítics es van comparar amb els resultats de simulacions per elements finits, obtenint divergències molt baixes. Això va ser interpretat com una validació dels resultats analítics. Es van dissenyar i fabricar unes bigues piezoresistives de polisilici amb forma de «U». Les dimensions i la resta de paràmetres es van determinar mitjançant els criteris obtinguts per l'optimització del comportament de les bigues. Aquestes es van fabricar a la Sala Blanca del CNM i també fent servir una tecnologia CMOS comercial (0.8 m de AustriaMicroSystems). Els processos de fabricació dins de la Sala Blanca del CNM es van optimitzar per augmentar el rendiment de les oblies. Així, finalment, es va arribar a un rendiment que estava a prop del 95% (aproximadament 95 de cada 100 dispositius es van obtenir correctament). Es va optimitzar el post procés dels xips CMOS al CNM per obtenir un alt rendiment. En aquest cas no només es va considerar la supervivència de les estructures, sinó també la dels circuits CMOS integrats al costat de les bigues. Aquests circuits, dissenyats al ETH de Zürich, consisteixen en un filtre i un amplificador per a millorar la resolució del sensor. Una vegada fabricats, els dispositius es van caracteritzar. La part principal d'aquesta caracterització recollia dos aspectes: la mesura del soroll del senyal de sortida del circuit i la determinació de la sensibilitat dels dispositius. Considerant tots dos resultats es va calcular la resolució dels sensors. Els millors resultats obtinguts van ser aproximadament 30 nN per a les bigues fabricades al CNM i 30 pN per les bigues fetes amb tecnologia CMOS. Aquesta diferència de tres ordres de magnitud a la resolució és deguda als circuits amplificadors i ens permetria mesurar forces al rang requerit. Per altra banda, amb l'objectiu de realitzar mesures de conducció en un ambient líquid, es van fabricar unes bigues conductores però aïllades. La capa conductora en aquestes bigues (una capa d'or) ha d'estar aïllada del exterior per una capa dielèctrica (nitrur de silici) per disminuir d'aquesta manera les capacitats paràsites. Al extrem lliure, s'ha de situar una punta de polisilici afilada per poder escanejar superfícies. La punta ha d'estar coberta per or i, sobre l'or, tenir nitrur a tot arreu menys al vèrtex. Per obtenir aquests dispositius, es va optimitzar el gravat de puntes de polisilici obtenint finalment puntes amb un diàmetre de vèrtex més petit que 20 nm (fent servir un atac sec en un equip DRIE seguit d'unes oxidacions per esmolar). A més, es va realitzar un estudi dels esforços interns per intentar obtenir bigues planes. A l'última part del treball, es va dur a terme la fabricació de sondes per AFM (bigues amb una punta esmolada al seu extrem lliure). Aquests dispositius es fan servir moltíssim actualment per caracteritzar superfícies i realitzar experiments que requereixen molta precisió i/o resolució. L'objectiu fonamental d'aquesta feina era el possibilitar la fabricació de sondes per AFM al nostre centre de manera que els dissenys poguessin ser triats pels investigadors d'acord amb les necessitats de cadascú d'ells. Per això, es van considerar diferents materials i processos de fabricació de puntes. La millor opció va ser el gravat sec amb un equip DRIE d'unes puntes «tipus coet» amb una part superior afilada, situada al cim d'una columna cilíndrica. Els processos de gravat es van optimitzar per així obtenir una alta uniformitat arreu de l'oblia, així com uns perfils de puntes apropiats per poder fer-les servir en un AFM. A continuació, es van fabricar sondes completes. Per comprovar com de bona era la tecnologia de fabricació que havíem dissenyat, es van fabricar dispositius de dos tipus diferents: per fer-les servir en mode contacte (constant elàstica baixa) i per fer-les servir en mode dinàmic (constant elàstica alta). Aquests dispositius es van utilitzar per escanejar unes mostres d'alumini i es van comparar amb els resultats obtinguts amb sondes comercials, obtenint resultats similars en ambdós casos. Finalment, es van fabricar sondes per a aplicacions específiques: sondes amb puntes amb la part superior plana per l'estudi de la elasticitat de polímers i materials biològics (molt baix mòdul de Young) i sondes amb bigues d'una geometria especial per a que les freqüències de ressonància del mode fonamental i del primer harmònic transversal estiguessin més juntes, per així millorar la detecció del potencial de superfície en la tècnica KPFM. Amb la fabricació d'aquestes puntes, es va demostrar que el disposar d'una tecnologia que permetés la fabricació de sondes pot ser molt útil per al desenvolupament de noves aplicacions de l'AFM.Este trabajo queda dividido en tres apartados, todos ellos relacionados con el diseño y fabricación de vigas en voladizo de tamaño micrométrico (micro-cantilevers en inglés) para diferentes aplicaciones. En el segundo capítulo se describe el trabajo realizado con vigas piezorresistivas. El objetivo fundamental de esa parte del trabajo consistía en la consecución de un elemento sensor capaz de detectar fuerzas en el rango de 10 a 100 pN. Para ello, en primer lugar, se realizó un detallado análisis teórico del comportamiento de estas estructuras mecánicas cuando se les aplica una fuerza en su extremo libre. Se estudió asimismo el ruido (tanto eléctrico como mecánico) presente en ellas. De esta manera se establecieron unos criterios para la maximización de la sensibilidad y la resolución del sensor. Los resultados analíticos se compararon con los resultados de simulaciones por elementos finitos, obteniendo divergencias muy bajas, lo cual fue interpretado como una validación de los primeros. Se diseñaron y fabricaron unas vigas piezorresistivas de polisilicio con forma de U. Las dimensiones y demás parámetros se fijaron mediante los criterios obtenidos para la optimización del comportamiento de las vigas. Las vigas se fabricaron tanto en la Sala Blanca del CNM como usando una tecnología CMOS comercial (0.8 m de AustriaMicroSystems). Los procesos de fabricación dentro de la Sala Blanca del CNM se optimizaron para aumentar el rendimiento de las obleas. De esta forma, finalmente, se alcanzó un rendimiento cercano al 95% (aproximadamente 95 de cada 100 dispositivos se obtuvieron correctamente). Se optimizó asimismo el post proceso de los chips CMOS en el CNM para obtener un alto rendimiento. En este caso, se consideró la supervivencia de las estructuras mecánicas así como de la circuitería CMOS integrada junto con las vigas. Esta circuitería, diseñada en el ETH de Zürich, consistía en un filtro y un amplificador para mejorar la resolución del sensor. Una vez fabricados, los dispositivos se caracterizaron. La parte central de esta caracterización englobó dos aspectos: la medida del ruido de la señal de salida del circuito y la determinación de la sensibilidad de los dispositivos. Teniendo en cuenta ambos resultados se calculó la resolución de nuestros sensores. Los mejores resultados obtenidos fueron de unos 30 nN para las vigas fabricadas en el CNM y de unos 30 pN para las provenientes de la tecnología CMOS. Esta diferencia de tres órdenes de magnitud en la resolución es debida a la circuitería adjunta a los dispositivos transductores (vigas) y nos permitiría medir fuerzas del orden de magnitud requerido. Por otro lado, con el objetivo de realizar medidas de conducción en medio líquido, se fabricaron unas vigas conductoras pero aisladas. La capa conductora en dichas vigas (capa de oro) ha de estar aislada del exterior por medio de una capa dieléctrica (nitruro de silicio) para así disminuir las capacidades parásitas. En el extremo libre, se ha de situar una punta de polisilicio afilada para poder escanear superficies. Dicha punta ha de estar cubierta por oro y, sobre el oro, tener nitruro en todas partes salvo en el vértice. Para obtener estos dispositivos, se optimizó el grabado de puntas de polisilicio, obteniendo finalmente puntas con un diámetro de vértice menor que 20 nm (usando un ataque en un equipo DRIE seguido por unas oxidaciones para afilar). Además, se realizó un estudio de los esfuerzos internos para intentar obtener vigas lo más planas posible. En la última parte del trabajo, se llevó a cabo la fabricación de sondas para AFM (vigas con una punta afilada en su extremo libre). Estos dispositivos son ampliamente usados en la actualidad para caracterizar muestras y para realizar experimentos en los que se requiere una alta precisión y/o resolución. El objetivo fundamental de este trabajo era el posibilitar la fabricación de sondas para AFM en nuestro centro de manera que los diseños pudieran ser elegidos a voluntad y acordes con las necesidades de cada investigador. Para ello se consideraron diferentes materiales y procesos de fabricación de puntas. La mejor opción fue la definición por medio de un equipo DRIE de puntas «tipo cohete» con una parte superior afilada, situada sobre una columna cilíndrica. Los procesos de grabado se optimizaron para así obtener una alta uniformidad a lo largo y ancho de la oblea así como unos perfiles de puntas apropiados para poder ser usadas después en un AFM. A continuación, se fabricaron sondas completas. Para comprobar cómo de buena era la tecnología de fabricación que habíamos diseñado, se fabricaron puntas de dos tipos diferentes: para ser usadas en modo contacto (constante elástica baja) y para ser usadas en modo dinámico (constante elástica alta). Dichos dispositivos se usaron para escanear algunas muestras y se compararon con algunos disponibles comercialmente, obteniendo resultados similares tanto para modo contacto como para dinámico. Finalmente, se fabricaron sondas para aplicaciones específicas: sondas con puntas con la parte superior plana para el estudio de la elasticidad de polímeros y materiales biológicos (con bajo módulo de Young) y sondas con vigas de una geometría especial para que las frecuencias de resonancia del modo fundamental y del primer harmónico transversal estuvieran más juntas, para así mejorar la detección del potencial de superficie en la técnica KPFM. Con la fabricación de estas puntas, se demostró que el disponer de una tecnología que permita la consecución de puntas puede ser muy útil para el desarrollo de nuevas aplicaciones del AFM.The main objective of this thesis has been the research in the design and fabrication of micro-cantilevers that are one of the most used mechanical transducers because of their versatility. The use of polysilicon piezoresistive cantilevers has been explored in order to detect binding forces between biomolecules. Force resolution under 100 pN was required. A detailed analytical study has been performed in order to calculate sensitivity and resolution when applying a force at their free end. The results obtained with this analysis have been confirmed by the use of FEM simulations and hence used to determine the optimum design of the piezoresistive sensor. U-shaped polysilicon cantilevers have been fabricated at CNM clean room facilities using a novel and dedicated technology. Designs were made following the criteria imposed by the previously obtained analytical results. The high force resolution required implied the fabrication of some cantilevers among the softest piezoresistive cantilevers reported up to date (elastic constants down to 0.5 mN/m). With the final optimized fabrication process, a yield of 95% has been achieved. Using a commercial CMOS technology (0.8 m from AustriaMicroSystems), polysilicon piezoresistive cantilevers have been designed and fabricated following again the criteria imposed by the theoretical analysis and, in this case, also design rules from the CMOS technology. Cantilevers were integrated with a filtering and amplifying circuitry to reduce noise. The softest piezoresistive CMOS integrated cantilevers have been obtained with a high yield and with an undamaged circuitry. In order to determine the actual sensitivity of such soft sensors and their gauge factor, a characterization method (consisting in AFM actuation) has been developed. Gauge factor for polysilicon deposited at CNM and at AustriaMicroSystems was -12 and -9 respectively. The maximum force sensitivity and force resolution obtained for CNM fabricated sensors have been 11 V/nN and 28 nN respectively. The maximum force sensitivity and force resolution obtained for CMOS fabricated sensors have been 11 V/pN and 27 pN respectively. In both cases, resolution is limited by the noise in the circuit, whose main contributions are Hooge noise (or 1/f) and Johnson noise (or thermoelectric). Conductive, but isolated, nitride cantilevers (with a wrapped gold layer) with a sharp tip (that has an opened contact) have been designed and fabricated to be used in conductive measurements in liquid environments. Polysilicon tips definition has been optimized to improve the whole probes fabrication process, achieving apex radii smaller than 20 nm using a dry etching by means of a DRIE equipment followed by sharpening oxidation. A complete and novel technological process has been developed for the fabrication of AFM cantilevers. Different tip materials and machining processes have been analyzed, obtaining the best results for crystalline silicon tips defined using a DRIE equipment to machine rocket tips. Isotropic processes with low cross-wafer dispersion and anisotropic processes with low cross-wafer dispersion and low scalloping have been achieved. After a sharpening oxidation, apex radii smaller than 5 nm have been achieved. Complete AFM probes have been fabricated. In order to test the developed technology, probes with similar characteristics to commercial ones were fabricated and used to raster scan some samples (in contact and non-contact mode) yielding results similar to those obtained with commercial probes. In addition, some special probes have been fabricated for nanoindentation over polymers and also to improve Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) performance. Thus, the availability of a technology that allows the fabrication of customized cantilevers is very useful for the development of new SPM applications

Shape Memory Polymer Resonators as Highly Sensitive Uncooled Infrared Detectors

Uncooled InfraRed (IR) detectors have enabled the rapid growth of thermal imaging applications. These detectors are predominantly bolometers, where the heating of pixel from incoming IR radiation is read out as a resistance change. Another uncooled sensing method is to transduce the IR radiation into the frequency shift of a mechanical resonator. We present here a highly sensitive, simple to fabricate resonant IR sensor, based on thermo-responsive Shape Memory Polymers (SMPs). By exploiting the phase-change polymer as the transduction mechanism, our approach provides 2 orders of magnitude improvement of the temperature coefficient of frequency (TCF). The SMP has very good absorption in IR wavelengths, obviating the need for an absorber layer. A Noise Equivalent Temperature Difference (NETD) of 22 mK in vacuum and 112 mK in air are obtained using f/2 optics. Such high performance in air eliminates the need for vacuum packaging, paving a path towards flexible IR sensors

Ordenación forestal de masas mixtas de Pinus pinaster y Pinus radiata en Galicia

Comunicación presentada no "Congreso Forestal Bosques de Futuro". San Cibrao das Viñas (Ourense), 25 e 26 de maio de 2011, organizado por CIS Madera, TRAGSA, INIA, CTFC.En las masas forestales gallegas procedentes de repoblación es frecuente la presencia de masas mixtas de Pinus pinaster y Pinus radiata, en diferentes grados de mezcla. Se propone la ordenación forestal de un monte actualmente poblado por ambas especies, con mayores crecimientos en la zona de mezcla que en las masas puras. Se pretende incrementar el aprovechamiento maderero de Pinus radiata, que es la especie mayoritaria y que ha generado una producción elevada (10-27 metros cúbicos por hectárea y año a los 15-20 años de edad), en con condiciones de estación favorables. Los principales condicionantes que limitan las actuaciones son el grave riesgo de incendios en verano y la ausencia de intervenciones selvícolas en el pasado a las edades adecuadas. La extensión de la finca permite asumir como objetivo a largo plazo el logro del rendimiento sostenido. El carácter eminentemente productor de las masas de pino existentes ha conducido a la elección de criterios de cortabilidad financieros. Finalmente, la elevada fragmentación del vuelo, debido a la coexistencia de especies, edades y calidades de estación, ha llevado a la elección del método de ordenación por división por cabida, como marco dasocrático en el que planificar las sucesivas intervenciones

Dual antibacterial effect of immobilized quaternary ammonium and aliphatic groups on PVC

A coating comprising quaternary ammonium salts (QAS) and aliphatic moieties was formed on the poly(vinyl chloride) (PVC) surface in order to confer antibacterial activity. This was achieved by grafting mercaptopropyltrimethoxysilane onto PVC, followed by aminopropyltriethoxysilane. Betaine and dodecenyl succinic anhydride (DDSA) were bonded to free amine groups. The modified PVC samples were characterized by FT-IR, showing that the PVC surface was successfully coated. Energy dispersive X-ray spectroscopy showed the spatial distributions of the elements Si and S, indicating that the coatings were homogeneous. Betaine and DDSA coated PVC showed a better antibacterial performance than the controls. This antibacterial effect was extremely reinforced in betaine-DDSA modified PVC showing greater antibacterial activity than both treatments separately applied. Antibacterial activity against Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, and Bacillus subtilis was studied in the treated samples showing that the coating was effective against Gram positive and Gram negative species.Fil: Villanueva, María Emilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Metabolismo del Fármaco. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Metabolismo del Fármaco; ArgentinaFil: Salinas, Ana. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Metabolismo del Fármaco. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Metabolismo del Fármaco; ArgentinaFil: González, Joaquín Antonio. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Metabolismo del Fármaco. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Metabolismo del Fármaco; ArgentinaFil: Teves, Sergio. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica; ArgentinaFil: Copello, Guillermo Javier. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Metabolismo del Fármaco. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Metabolismo del Fármaco; Argentin

The Decision To Set Up Home Independently In Spain: Explanatory Factors

Young people today are leaving the parental home; i.e., living independently at increasingly later ages. In Mediterranean Europe in particular, most males, and a large portion of females, continue to live in their parents home until they are into their thirties.In the case of Spain, in recent years, a series of economic and social changes have led to a rise in young peoples uptake of non-compulsory stages of education, resulting in increasingly late arrival on the job market (with this extended education and also high youth unemployment), characterized by higher temporary employment rates and greater vulnerability in the process of joining the labor force than previous cohorts. As regards to living independently, despite a very large increase in housing stock over the past ten years, young Spaniards encounter increasing difficulties in gaining access to housing because of higher purchase prices and the structure of the rental market.This paper will study the socioeconomic factors that have influenced the young Spanish population when deciding to leave the family home (i.e., becoming autonomous)

Common Financial Data And Tax And Accounting Strategies In Spanish Micro-Enterprises

In EU governments, there is widespread concern of the current trends in small businesses. Their importance in generating wealth and employment justifies the adoption of economic measures to foster their development and durability. Experience shows that few European micro-enterprises are handed on to a second generation of owners and almost none to a third.Moreover, in times of crisis, the notion that micro-enterprises (including self-employed or businesspeople with no employees) should become the first link in economic recovery and employment generation appears recurrently.This paper studies the distinguishing features of such companies in a Spanish province through a descriptive statistical analysis of the basic data and ratios in their accounting statements

Simulation of Browian Particles in a channel

We study the behavior of ions with Brownian motion in the stationary state along a channel and the influence of external applied potentials and shapes of the channel. Our goal is to implement a 1-dimensional model that captures these effects by means of an effective potential and a diffusion coefficient. The method could be used as a tool to reduce the calculation cost of modeling these systems, which otherwise should be modeled in three dimensions.2019/202

A Nanoscale Parametric Feedback Oscillator

We describe and demonstrate a new oscillator topology, the parametric feedback oscillator (PFO). The PFO paradigm is applicable to a wide variety of nanoscale devices and opens the possibility of new classes of oscillators employing innovative frequency-determining elements, such as nanoelectromechanical systems (NEMS), facilitating integration with circuitry and system-size reduction. We show that the PFO topology can also improve nanoscale oscillator performance by circumventing detrimental effects that are otherwise imposed by the strong device nonlinearity in this size regime

Solar light efficient photocatalytic activity degradation of emergent contaminants by coated TiO2 nanoparticles

The photocatalytic degradation of different emergent contaminants in aqueous solutions has been studied by using oligomer-coated TiO2 nanoparticles under solar light irradiation. The oligomer was synthesized using methacrylic acid, ethylene glycol diglycidyl ether and imidazole. The material was characterized by SEM, DLS, FT-IR and FT-Raman and UV-vis spectroscopy. The photocatalytic behavior with the model azo-dye methyl orange was analyzed in different conditions (initial concentration and pH) and the kinetic parameters were described by using the Langmuir-Hinshelwood model. The reuse and photocorrosion of the nanoparticles was studied up to seven operative cycles. The oligomer-coated nanoparticles showed better performance than the uncoated ones due to an increment in absorption in the visible light region. The charge transfer process would form electron/hole pairs (e-/h+) with the holes localized on the organic ligands (most probably on imidazole residues from oligomers) and the electrons in the conduction band of TiO2. Supernatant safety after the photocatalytic treatment was examined by the lettuce seeds assay and no toxicity was found. The versatility of the material was studied by exposing it to different emergent contaminants (ciprofloxacin, trimethoprim and chloramphenicol).Fil: Villanueva, María Emilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Metabolismo del Fármaco. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Metabolismo del Fármaco; ArgentinaFil: Copello, Guillermo Javier. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Metabolismo del Fármaco. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Metabolismo del Fármaco; ArgentinaFil: Campodallorto, Viviana. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Houssay. Instituto de Química y Metabolismo del Fármaco. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Farmacia y Bioquímica. Instituto de Química y Metabolismo del Fármaco; Argentin