Nano Electro Mechanical Systems and Interactions at the nanoscale

Systemes Nano Electro Mecanique et interactiones a l' echelle nanometrique

Alessandro Siria (1)

1 NEEL - NOF - Nano-Optique et Forces

Micro and Nano Electro Mechanical Systems (MEMS and NEMS) are among the best candidates for the measurement of interactions at the nanoscale. Resolution in force in the range of attonewton has been successfully exploited for the weighting of single molecules or the measurement of the spin of a single electron. NEMS and MEMS are generally mechanical devices made from submicron components facing each other. When the distance between the components reaches the sub-micron scale, phenomena generally neglected during macroscopic applications have to be taken into account. For example, the interaction mechanisms between the two surfaces moving at sub-micron separations are mediated by forces that, in macroscopic devices, are often irrelevant. In this thesis work we study interaction forces between surfaces when the the gap separating them is in the range from tens of nanometers up to several micrometers. First we address the problem of hydrodynamic forces acting on micro-structures oscillating in viscous environment. We show that the effect damping of a confined fluid is depending by the gap size of the confinement cavity. We study how this confinement effect can modify the properties of the mechanical oscillator. Second we address the problem of optical forces acting on micro mechanical oscillators. Using absorption and diffraction of X-ray beams we will see that effects usually observed using visible light can also be observed using X-rays. We show that Micro and possibly Nano Electro Mechanical System can be suitable for developing new tools in the domain of Synchrotron light techniques. Finally we study the thermal radiation between surfaces when the gap is the micron and sub-micron scale where the contribution of near field components cannot be neglected. We show measurement of thermal radiation between surfaces of glass providing a comparison with the theory of thermal radiation based on stochastic electrodynamics.

Les Micro et Nano Electro Mechanical Systems (MEMS et NEMS) font partis des meilleurs candidats pour les mesures d'interactions a l'echelle nanometrique. La resolution en force de l'ordre de l'attonewton a ete exploit ee avec succes aussi bien pour mesurer le poids de molecules uniques que pour la mesure du spin d'un electron unique. Les NEMS et les MEMS sont generalement des systemes fabriques a partir de composants sub-microniques l'un en face de l'autre. Lorsque leur distance atteint l'echelle sub-micronique, phenomenes generalement negliges, doivent ^etre pris en compte lors d'applications microscopiques. Les interactions mecaniques entre deux surfaces separees de moins d'un micron sont regies par des forces qui, dans des systemes macroscopiques, sont souvent negligeables. Dans ce travail de these, nous etudions les forces d'interaction entre surfaces separees par une distance allant de quelques nanometres a plusieurs micrometres. Premierement nous traiterons du probleme des forces hydrodynamiques agissant sur des micro-structures oscillantes en environnement visqueux. Nous montrerons que l'eet d'amortissement d'un uide conne depend de la taille du connement. Nous etudierons comment cet eet de connement peut modier les proprietes de cet oscillateur mecanique. Dans un second temps nous poserons le probleme des forces optiques agissant sur les micro-oscillateurs mecaniques. Par l'utilisation de l'absorption et de la diraction des faisceaux de rayons X nous verrons que les eets habituellement observes en lumiere visible le sont aussi par rayons X. Nous montrerons que les MEMS et potentiellement les NEMS sont des systemes adequates pour le developpement de nouveaux outils pour les techniques de la lumiere Synchrotron. Enn nous etudierons la radiation thermique entre deux surfaces a une distance micronique et sub-micronique ou la contribution des composantes champs proche ne peuvent plus ^etre negligees. Nous presenterons les mesures de radiation thermique entre deux surfaces de verres amenant une comparaison avec la theorie de la radiation thermique basee sur l'electrodynamique stochastique.

Mots clés: force hydrodynamiqye; transfert thermique en champ proche; rayons X; NEMS; Hydrodynamic force; Near field radiative heat transfer; X-ray

Domaines: Physique [physics]

Alessandro Siria. Nano Electro Mechanical Systems and Interactions at the nanoscale. Physics [physics]. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2009. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00444573⟩