NEMS-based thermal detector for infrared measurements at room temperature

Abstract

Nanomechanische Resonatoren aus Siliziumnitrid (SiN) haben sich aufgrund ihrer hohen mechanischen Gütefaktoren und ausgeprägten Frequenzempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen als vielseitige Plattformen für Anwendungen in der thermischen Sensorik erwiesen. Diese Arbeit untersucht die Mechanismen des Wärmetransports und die Infrarot(IR)-Detektionsfähigkeiten von SiN-basierten Trommel- und Trampolin-Nanoelektromechanischen Resonatoren (NEMS). Der erste Teil der Arbeit präsentiert eine detaillierte Untersuchung der Wärmetransferdynamik in SiN-Trommelresonatoren durch die Kombination von analytischen Modellen, numerischen Simulationen und experimentellen Daten. Eine zentrale Erkenntnis ist die nicht vernachlässigbare Rolle des Strahlungswärmetransfers, der die thermische Frequenzantwort signifikant beeinflusst und somit die intrinsischen Grenzen der thermischen Empfindlichkeit und Ansprechzeit solcher Systeme definiert. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen untersucht der zweite Teil fortschrittliche SiN-Trampolinresonatoren, die für die thermische IR-Detektion optimiert sind. Durch die Integration impedanzangepasster metallischer Dünnschichtabsorber mit breitbandiger Absorption im mittleren IR-Spektralbereich zeigen die hergestellten Detektorstrukturen eine außergewöhnliche Empfindlichkeit, die herkömmliche SiN-Trommeln um mehr als zwei Größenordnungen übertrifft. Die entwickelten NEMS-Detektoren weisen eine rauschäquivalente Leistung von 7~pW/$\sqrt{\text{Hz}}$ und thermische Ansprechzeiten von bis zu 4~ms auf und bewegen sich damit in der Nähe des fundamentalen Photonenrauschlimits der thermischen Detektion. Zusammen erweitern diese Untersuchungen das Verständnis des Wärmetransports in nanomechanischen Systemen und legen den Grundstein für leistungsstarke, ungekühlte IR-Sensortechnologien.

Nanomechanical resonators made of silicon nitride (SiN) have emerged as versatile platforms for thermal sensing applications, owing to their high mechanical quality factors and pronounced frequency sensitivity to temperature variations. This thesis investigates the thermal transport mechanisms and infrared (IR) detection capabilities of SiN-based drum and trampoline nanoelectromechanical (NEMS) resonators. The first part of the work presents a detailed study of the heat transfer dynamics within SiN drum resonators, combining analytical models, numerical simulations, and experimental data. A key finding is the non-negligible role of radiative heat transfer, which significantly affects the thermal frequency response, thereby defining the intrinsic limits of thermal responsivity and response time in such systems. Building upon these insights, the second part explores advanced SiN trampoline resonators optimized for thermal IR detection. By integrating impedance-matched metal thin-film absorbers with broadband mid-IR spectral coverage, the fabricated devices demonstrate exceptional responsivity, outperformed traditional SiN drums by more than two orders of magnitude. The developed NEMS detectors exhibit a noise-equivalent power of 7~pW/$\sqrt{\text{Hz}}$ and thermal time constants as low as 4~ms, positioning them near the fundamental photon noise limit of thermal detection. Together, these investigations advance the understanding of thermal transport in nanomechanical systems and lay the groundwork for high-performance, uncooled IR sensing technologies.