Even a relatively weak drive force is enough to push a typical nanomechanical resonator into the nonlinear regime. Consequently, nonlinearities are widespread in nanomechanics and determine the critical characteristics of nanoelectromechanical systems' (NEMSs) resonators. A thorough understanding of the nonlinear dynamics of higher eigenmodes of NEMS resonators would be beneficial for progress, given their use in applications and fundamental studies. Here, we characterize the nonlinearity and the linear dynamic range (LDR) of each eigenmode of two nanomechanical beam resonators with different intrinsic tension values up to eigenmode n = 11. We find that the modal Duffing constant increases as n4, while the critical amplitude for the onset of nonlinearity decreases as 1/n. The LDR, determined from the ratio of the critical amplitude to the thermal noise amplitude, increases weakly with n. Our findings are consistent with our theory treating the beam as a string, with the nonlinearity emerging from stretching at high amplitudes. These scaling laws, observed in experiments and validated theoretically, can be leveraged for pushing the limits of NEMS-based sensing even further.

1.
J.
Moser
,
J.
Güttinger
,
A.
Eichler
,
M. J.
Esplandiu
,
D.
Liu
,
M.
Dykman
, and
A.
Bachtold
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
493
(
2013
).
2.
T.
Nan
,
Y.
Hui
,
M.
Rinaldi
, and
N. X.
Sun
,
Sci. Rep.
3
,
1985
(
2013
).
3.
M. S.
Hanay
,
S. I.
Kelber
,
C. D.
O'Connell
,
P.
Mulvaney
,
J. E.
Sader
, and
M. L.
Roukes
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
339
(
2015
).
4.
M.
Héritier
,
A.
Eichler
,
Y.
Pan
,
U.
Grob
,
I.
Shorubalko
,
M. D.
Krass
,
Y.
Tao
, and
C. L.
Degen
,
Nano Lett.
18
,
1814
(
2018
).
5.
S.
De Bonis
,
C.
Urgell
,
W.
Yang
,
C.
Samanta
,
A.
Noury
,
J.
Vergara-Cruz
,
Q.
Dong
,
Y.
Jin
, and
A.
Bachtold
,
Nano Lett.
18
,
5324
(
2018
).
6.
F.
Fogliano
,
B.
Besga
,
A.
Reigue
,
L.
Mercier de Lépinay
,
P.
Heringlake
,
C.
Gouriou
,
E.
Eyraud
,
W.
Wernsdorfer
,
B.
Pigeau
, and
O.
Arcizet
,
Nat. Commun.
12
,
4124
(
2021
).
7.
K.
Ekinci
,
X.
Huang
, and
M.
Roukes
,
Appl. Phys. Lett.
84
,
4469
(
2004
).
8.
K.
Ekinci
,
Y. T.
Yang
, and
M.
Roukes
,
J. Appl. Phys.
95
,
2682
(
2004
).
9.
H.
Postma
,
I.
Kozinsky
,
A.
Husain
, and
M.
Roukes
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
223105
(
2005
).
10.
S. K.
Roy
,
V. T.
Sauer
,
J. N.
Westwood-Bachman
,
A.
Venkatasubramanian
, and
W. K.
Hiebert
,
Science
360
,
eaar5220
(
2018
).
11.
A.
Demir
and
M. S.
Hanay
,
IEEE Sens. J.
20
,
1947
(
2019
).
12.
Y.
Martin
,
C. C.
Williams
, and
H. K.
Wickramasinghe
,
J. Appl. Phys.
61
,
4723
(
1987
).
13.
H.
Gress
,
J.
Barbish
,
C.
Yanik
,
I.
Kaya
,
R.
Erdogan
,
M.
Hanay
,
M.
González
,
O.
Svitelskiy
,
M.
Paul
, and
K.
Ekinci
,
Phys. Rev. Appl.
20
,
044061
(
2023
).
14.
A.
Husain
,
J.
Hone
,
H. W. C.
Postma
,
X.
Huang
,
T.
Drake
,
M.
Barbic
,
A.
Scherer
, and
M.
Roukes
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
1240
(
2003
).
15.
M. M.
Parmar
,
P.
Gangavarapu
, and
A.
Naik
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
113108
(
2015
).
16.
J.
Molina
,
J. E.
Escobar
,
D.
Ramos
,
E.
Gil-Santos
,
J. J.
Ruz
,
J.
Tamayo
,
Á.
San Paulo
, and
M.
Calleja
,
Nano Lett.
21
,
6617
(
2021
).
17.
I.
Kozinsky
,
H.
Postma
,
I.
Bargatin
, and
M.
Roukes
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
253101
(
2006
).
18.
H.
Cho
,
M.-F.
Yu
,
A. F.
Vakakis
,
L. A.
Bergman
, and
D. M.
McFarland
,
Nano Lett.
10
,
1793
(
2010
).
19.
J.
Gieseler
,
L.
Novotny
, and
R.
Quidant
,
Nat. Phys.
9
,
806
(
2013
).
20.
A. W.
Barnard
,
M.
Zhang
,
G. S.
Wiederhecker
,
M.
Lipson
, and
P. L.
McEuen
,
Nature
566
,
89
(
2019
).
21.
I.
Kozinsky
,
H. C.
Postma
,
O.
Kogan
,
A.
Husain
, and
M. L.
Roukes
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
207201
(
2007
).
22.
J. S.
Huber
,
G.
Rastelli
,
M. J.
Seitner
,
J.
Kölbl
,
W.
Belzig
,
M. I.
Dykman
, and
E. M.
Weig
,
Phys. Rev. X
10
,
021066
(
2020
).
23.
R.
Lifshitz
and
M. C.
Cross
,
Nonlinear Dynamics of Nanomechanical and Micromechanical Resonators
(
Wiley Online Library
,
2008
).
24.
A. H.
Nayfeh
and
D. T.
Mook
,
Nonlinear Oscillations
(
John Wiley & Sons
,
2008
).
25.
L. D.
Landau
and
E. M.
Lifshitz
,
Course of Theoretical Physics
(
Elsevier
,
2013
).
26.
A.
Bachtold
,
J.
Moser
, and
M.
Dykman
,
Rev. Mod. Phys.
94
,
045005
(
2022
).
27.
J. S.
Ochs
,
G.
Rastelli
,
M.
Seitner
,
M. I.
Dykman
, and
E. M.
Weig
,
Phys. Rev. B
104
,
155434
(
2021
).
28.
A.
Keskekler
,
H.
Arjmandi-Tash
,
P. G.
Steeneken
, and
F.
Alijani
,
Nano Lett.
22
,
6048
(
2022
).
29.
M. I.
Younis
and
A.
Nayfeh
,
Nonlinear Dyn.
31
,
91
(
2003
).
30.
K.
Moskovtsev
and
M.
Dykman
,
Phys. Rev. B
95
,
085426
(
2017
).
31.
C.
Samanta
,
N.
Arora
, and
A.
Naik
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
113101
(
2018
).
32.
A.
Castellanos-Gomez
,
R.
van Leeuwen
,
M.
Buscema
,
H. S.
van der Zant
,
G. A.
Steele
, and
W. J.
Venstra
,
Adv. Mater.
25
,
6719
(
2013
).
33.
A.
Hajjaj
,
F.
Alfosail
, and
M. I.
Younis
,
Int. J. Nonlinear Mech.
107
,
64
(
2018
).
34.
J. S.
Ochs
,
D. K.
Boneß
,
G.
Rastelli
,
M.
Seitner
,
W.
Belzig
,
M. I.
Dykman
, and
E. M.
Weig
,
Phys. Rev. X
12
,
041019
(
2022
).
35.
R. T.
Erdogan
,
M.
Alkhaled
,
B. E.
Kaynak
,
H.
Alhmoud
,
H. S.
Pisheh
,
M.
Kelleci
,
I.
Karakurt
,
C.
Yanik
,
Z. B.
Sen
,
B.
Sari
et al,
ACS Nano
16
,
3821
(
2022
).
36.
O.
Malvar
,
J.
Ruz
,
P. M.
Kosaka
,
C. M.
Domínguez
,
E.
Gil-Santos
,
M.
Calleja
, and
J.
Tamayo
,
Nat. Commun.
7
,
13452
(
2016
).
37.
P.
Truitt
,
J.
Hertzberg
,
E.
Altunkaya
, and
K.
Schwab
,
J. Appl. Phys.
114
,
114307
(
2013
).
38.
O.
Maillet
,
X.
Zhou
,
R. R.
Gazizulin
,
R.
Ilic
,
J. M.
Parpia
,
O.
Bourgeois
,
A. D.
Fefferman
, and
E.
Collin
,
ACS Nano
12
,
5753
(
2018
).
39.
I.
Kozinsky
, “
Nonlinear nanoelectromechanical systems
,” Ph.D. thesis (
California Institute of Technology
,
2007
).
40.
J.
Barbish
,
C.
Ti
,
K.
Ekinci
, and
M.
Paul
,
J. Appl. Phys.
132
,
034501
(
2022
).
41.
A. B.
Ari
,
M. S.
Hanay
,
M. R.
Paul
, and
K. L.
Ekinci
,
Nano Lett.
21
,
375
(
2020
).
42.
B.
Hauer
,
C.
Doolin
,
K.
Beach
, and
J.
Davis
,
Ann. Phys.
339
,
181
(
2013
).
43.
C.
Ti
,
J.
McDaniel
,
A.
Liem
,
H.
Gress
,
M.
Ma
,
S.
Kyoung
,
O.
Svitelskiy
,
C.
Yanik
,
I.
Kaya
,
M.
Hanay
et al,
Appl. Phys. Lett.
121
,
023506
(
2022
).
44.
M.
Ma
and
K. L.
Ekinci
,
J. Appl. Phys.
134
,
074302
(
2023
).
45.
C.
Ti
,
A. B.
Ari
,
M. C.
Karakan
,
C.
Yanik
,
I. I.
Kaya
,
M. S.
Hanay
,
O.
Svitelskiy
,
M.
González
,
H.
Seren
, and
K. L.
Ekinci
,
Nano Lett.
21
,
6533
(
2021
).
46.
L. G.
Villanueva
and
S.
Schmid
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
227201
(
2014
).
47.
Y. S.
Klaß
,
J.
Doster
,
M.
Bückle
,
R.
Braive
, and
E. M.
Weig
,
Appl. Phys. Lett.
121
,
083501
(
2022
).
48.
Q. P.
Unterreithmeier
,
T.
Faust
, and
J. P.
Kotthaus
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
027205
(
2010
).
49.
M.
Cross
and
R.
Lifshitz
,
Phys. Rev. B
64
,
085324
(
2001
).
50.
P.-L.
Yu
,
T.
Purdy
, and
C.
Regal
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
083603
(
2012
).
51.
S. A.
Fedorov
,
N. J.
Engelsen
,
A. H.
Ghadimi
,
M. J.
Bereyhi
,
R.
Schilling
,
D. J.
Wilson
, and
T. J.
Kippenberg
,
Phys. Rev. B
99
,
054107
(
2019
).
52.
I.
Bargatin
,
I.
Kozinsky
, and
M.
Roukes
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
093116
(
2007
).
53.
V.
Kara
,
V.
Yakhot
, and
K. L.
Ekinci
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
074505
(
2017
).
You do not currently have access to this content.