Mechanical resonators based on graphene and carbon nanotubes

Los resonadores mecánicos basados en grafeno y nanotubos de carbono han atraído recientemente una considerable atención, debido a la gran variedad de propiedades extraordinarias que exhiben. La reducida dimensión intrínseca a su naturaleza hace de estos materiales candidatos ideales para el estudio de la mecánica en la nano-escala. Su reducida masa les hace extremadamente sensibles a fuerzas externas y masas adsorbidas, lo cual es prometedor para su uso como sensores. A ello se suma que estos sistemas pueden ajustar ampliamente su frecuencia de vibración llegando hasta GHz. Además, muestran fuertes efectos no lineales y entre sus interesantes propiedades está el eficiente acoplamiento de sus vibraciones mecánicas con los electrones en los regímenes de bloqueo de Coulomb y de efecto Hall cuántico. Sin embargo, trabajar con estos dispositivos requiere un alto nivel de control de las técnicas de nano-fabricación así como de una eficiente lectura y control de su movimiento. En esta tesis abordamos estos requisitos fabricando e investigando diversos nano-resonadores mecánicos basados en grafeno y nanotubos de carbono, mientras exploramos diferentes técnicas para la transducción de su movimiento. Primero estudiamos resonadores mecánicos acoplados basados en grafeno y nanotubos de carbono. Logramos superar los límites de las técnicas de nano-fabricación modernas creando estructuras completamente suspendidas consistentes en dos membranas de grafeno unidas por un nanotubo de carbono multi-capa. Utilizamos técnicas de demodulación de corrientes eléctricas como transducción para caracterizar la compleja dinámica de las vibraciones en estos sistemas a temperatura criogénica. Observamos, de manera interesante, acoplamiento entre los modos principales de vibración de las diferentes estructuras, resaltando la importancia de las no linealidades en estos sistemas en la nano-escala. Más tarde, investigamos la dinámica del ruido de resonadores basados en nanotubos de carbono fijados en uno de sus extremos, a temperatura ambiente, con una gran sensibilidad, acoplando su movimiento al foco de un rayo de electrones de un microscopio de electrones. Este esquema de transducción nos permite detectar su movimiento en tiempo real y presentar un análisis detallado de la trayectoria dos-dimensional del ruido en espacio y tiempo. Aquí mostramos que estos diminutos objetos se comportan como partículas Brownianas moviéndose en un potencial harmónico de dos dimensiones. Además, demostramos medidas coherentes en fase implementando un lazo de seguimiento de fase (PLL) que permite monitorizar la frecuencia de resonancia en tiempo real, abriendo el camino a aplicaciones como sensores de alto rendimiento. Finalmente, presentamos los primeros pasos hacia el estudio de resonadores basados en nanotubos de carbono mono-capa, suspendidos y anclados en ambos extremos como sistemas híbridos nano-optomecanicos, en los cuales el grado de libertad óptico está integrado dentro de la estructura del nanotubo. Hemos desarrollado un equipo de micro-fotoluminiscencia a baja temperatura para investigar el acoplamiento entre los modos de vibración mecánicos y los excitones localizados de cero dimensiones de los nanotubos. También, hemos desarrollado un proceso de deposición química de vapor (CVD) para hacer crecer nanotubos de carbono suspendidos, de hasta diez micras de longitud y diámetro reducido.Mechanical resonators based on graphene and carbon nanotubes have recently attracted considerable attention, due to the great wealth of remarkable properties that they exhibit. Their intrinsically low-dimensional nature qualify them as ideal systems to study mechanics at the nano-scale. Their mass is so low that they are extremely sensitive to external forces and attached mass, which holds promise for sensing applications. In addition, these systems can vibrate at the GHz regime while their resonant frequencies can be widely tunable. Moreover, they exhibit strong mechanical nonlinearities and among their intriguing properties is the efficient coupling of their mechanical vibrations to electrons in the Coulomb blockade and Quantum Hall regimes. However, working with these devices requires high level of control over the nanofabrication technologies as well as efficient readout and control of their motion. In this Ph.D thesis we address these requirements by fabricating and investigating various nanomechanical resonators based on graphene and carbon nanotubes, while exploring different techniques for the transduction of their motion. We firstly study coupled mechanical resonators based on graphene and carbon nanotubes. We succeed to push the limits of modern nanofabrication techniques by realizing complex fully suspended structures that consist of two graphene membranes coupled by a multi-wall carbon nanotube. We employ electrical mixing transduction techniques to extensively characterize the complex vibrational dynamics of these systems at cryogenic temperature. Interestingly, we observe nonlinear coupling between the eigenmodes of the structures, highlighting the crucial role of nonlinearities in such nano-scale systems. We then investigate the noise dynamics of singly-clamped carbon nanotube resonators, at room temperature, with very high sensitivity, by coupling their motion to the focused electron beam of a scanning electron microscope. This transduction scheme enables us to detect their motion in real-time and present a detailed analysis of the two-dimensional noise trajectories both in space and time. We show that these tiny objects behave as Brownian particles evolving in a two-dimensional harmonic potential. Moreover, we demonstrate phase-coherent measurements by implementing a phase-locked loop that allows us to track their resonant frequency in real-time, paving the way for high performance sensing applications. Finally, we present the first steps towards studying suspended singly-walled doubly-clamped carbon nanotube resonators as hybrid nano-optomechanical systems, where the optical degrees of freedom are embedded inside the nanotube’s structure. We develop a low temperature micro-photoluminescence setup to investigate the coupling between the mechanical vibrational modes and the localized zero-dimension excitons of the nanotubes. Additionally, we develop a chemical vapor deposition growth process for up to 10 μm long, narrow diameter, suspended nanotubes