Over the past two decades, the field of nanomechanical resonators has seen remarkable growth, expanding its range of applications and pushing the boundaries of performance. To date, an extraordinary variety of sensors exploit these nanometer-size structures to detect mass, force, and temperature with exceptional sensitivity. Notably, measuring external stimuli by tracking shifts in a resonator’s resonance frequency has led to ground-breaking achievements, such as detecting mass at the yoctogram scale — just three orders of magnitude heavier than a single proton.This approach has also proven to be extremely powerful for detecting minute temperaturechanges, enabling imaging at the single-molecule level. Here, tensile stressed nanome-chanical resonators exhibit frequency detuning upon photothermal heating, by means of a stress release via thermal expansion. Photothermal heating can originate from various processes, including electromagnetic radiation absorption, non-radiative heat transfer from single molecules, particle, and thin films.This simple yet sensitive method and its applications constitute the field of nanomechanical photothermal sensing. The present work aims to deepen the understanding of this detection technique while expanding its capabilities in microscopy and spectroscopy for single particles and molecules, and material optical characterization. Along this thesis, a comprehensive analysis of the main figures of merit of the nanomechanical photothermal sensors is carried out, establishing a theoretical framework aimed at assessing their photothermal sensing performance. The analytical models developed herein highlight the critical interplay between sensor photothermal responsivity and itsfrequency stability. Different resonator designs are systematically compared theoretically and experimentally with respect to their sensitivity, response time, and practicality. Label-free microscopy and imaging at room temperature has been one of the first applications of nanomechanical photothermal sensing. This work develops the state-of-the-art nanomechanical photothermal platform for spectroscopy and polarization-microscopy of individual nano-absorbers. This is showcased with the characterization of the absorptionspectrum and the plasmonic properties of individual gold nanorods. This demonstrates the ability of nanomechanical photothermal sensing to resolve the heterogeneity within a single sample, with a reduced experimental complexity and higher signal-to-noise ratiocompared to other label-free single-molecule optical techniques.The field of applications of nanomechanical photothermal sensing is further expanded for the low optical loss characterization of materials exploited in nanophotonics and nanomechanics. In particular, it analyzes the dependence of the optical absorption of siliconnitride — a material of significant technological importance — on the film deposition and fabrication process. A direct correlation is identified between the deposition-related tensile stress and the extinction coefficient of silicon nitride, with the latter decreasingfor increasing stress. This trend is attributed to a reduction in silicon-to-nitrogen ratio,which widens the material’s energy bandgap. These findings pave the way for a precise,scattering-free, and fast optical characterization of materials.The advancements in understanding and applicability of nanomechanical photothermalsensing presented in this work aim to establish a solid groundwork for the development and improvement of next-generation nanomechanical photothermal sensors, with the hope to offer valuable insights for researchers seeking to harness the full potential of this detection paradigm across a broad spectrum of applications.
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In den letzten zwei Jahrzehnten hat das Gebiet der nanomechanischen Resonatoren ein bemerkenswertes Wachstum erfahren, das die Anwendungsmöglichkeiten erweitert und die Grenzen der Leistungsfähigkeit verschoben hat. Bis heute nutzt eine außergewöhnliche Vielfalt von Sensoren diese nanometergroßen Strukturen, um Masse, Kraft und Temperatur mit außergewöhnlicher Empfindlichkeit zu erfassen. Insbesondere die Messung externer Stimuli durch Verfolgung von Verschiebungen der Resonanzfrequenz eines Resonators hat zu bahnbrechenden Errungenschaften geführt, wie z. B. dem Nachweis von Masse auf der Yoktogramm-Skala - nur drei Größenordnungen schwerer als ein einzelnes Proton.Dieser Ansatz hat sich auch als äußerst leistungsfähig erwiesen, wenn es darum geht, winzige Temperaturänderungen zu erkennen, was eine Bildgebung auf Einzelmolekülebene ermöglicht. Hier zeigen zugfeste nanomechanische Resonatoren bei photothermischer Erwärmung eine Frequenzverschiebung durch Spannungsabbau über thermische Expansion.Die photothermische Erwärmung kann durch verschiedene Prozesse hervorgerufen werden,darunter die Absorption elektromagnetischer Strahlung und die nicht strahlende Wärmeübertragung von einzelnen Molekülen, Partikeln und dünnen Filmen. Diese einfache, aber empfindliche Methode und ihre Anwendungen bilden den Bereich der nanomechanischen photothermischen Sensorik. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, das Verständnis dieser Detektionstechnik zu vertiefen und gleichzeitig ihre Möglichkeiten in der Mikroskopie und Spektroskopie für einzelne Partikel und Moleküle sowie die optische Charakterisierungvon Materialien zu erweitern. In dieser Arbeit wird eine umfassende Analyse der wichtigsten Leistungsmerkmale der nanomechanischen photothermischen Sensoren durchgeführt und ein theoretischer Rahmen für die Bewertung ihrer photothermischen Sensorleistung geschaffen. Die hier entwickelten analytischen Modelle heben das kritische Zusammenspiel zwischen der photothermischen Empfindlichkeit des Sensors und seiner Frequenzstabilität hervor. Verschiedene Resonatordesigns werden systematisch theoretisch und experimentell im Hinblick auf ihre Empfindlichkeit, Reaktionszeit und Praktikabilität verglichen. Die markierungsfreie Mikroskopie und Bildgebung bei Raumtemperatur war eine der ersten Anwendungen der nanomechanischen photothermischen Sensorik. In dieser Arbeit wird eine hochmoderne nanomechanische photothermische Plattform für die Spektroskopie und Polarisationsmikroskopie von einzelnen Nanoabsorbern entwickelt. Dies wird anhand der Charakterisierung des Absorptionsspektrums und der plasmonischen Eigenschaften einzelner Goldnanostäbchen demonstriert. Dies zeigt die Fähigkeit der nanomechanischen photothermischen Sensorik, die Heterogenität innerhalb einer einzelnen Probe aufzulösen, und zwar mit einer geringeren experimentellen Komplexität und einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis im Vergleich zu anderen markierungsfreien optischen Einzelmo-lekültechniken. Der Anwendungsbereich der nanomechanischen photothermischen Sensorik wird für die Charakterisierung von Materialien mit geringem optischem Verlust, die in der Nanophotonik und Nanomechanik verwendet werden, weiter ausgebaut. Insbesondere wird die Abhängigkeit der optischen Absorption von Siliziumnitrid - einem Material von großer technologischer Bedeutung - von der Schichtabscheidung und dem Herstellungsprozess analysiert. Es wird ein direkter Zusammenhang zwischen der abscheidungsbedingten Zugspannung und dem Extinktionskoeffizienten von Siliziumnitrid festgestellt, wobei letzterer mit zunehmender Spannung abnimmt. Dieser Trend wird auf eine Verringerung des Verhältnisses von Silizium zu Stickstoff zurückgeführt, was die Energiebandlücke des Materials vergrößert. Diese Ergebnisse ebnen den Weg für eine präzise, streuungsfreie und schnelle optische Charakterisierung von Materialien. Die in dieser Arbeit vorgestellten Fortschritte in Bezug auf das Verständnis und die Anwendbarkeit nanomechanischer photothermischer Sensoren zielen darauf ab, eine solide Grundlage für die Entwicklung und Verbesserung nanomechanischer photothermischer Sensoren der nächsten Generation zu schaffen, in der Hoffnung, den Forschern, die das volle Potenzial dieses Erkennungsparadigmas in einem breiten Spektrum von Anwendungennutzen wollen, wertvolle Erkenntnisse zu bieten.
