211service.com
En bedre resonator
Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Colorado i Boulder har taget et vigtigt skridt i retning af at lave resonatorer i nanoskala, der kan bruges i kommunikationsenheder. Forskerne har dyrket gallium-nitrid nanotråde, der viser egenskaber, der er meget bedre egnet til sådanne anvendelser end andre nanostrukturer af lignende størrelser.
Gode vibrationer: Forskere ved NIST har dyrket sekskantede gallium-nitrid nanotråde, der kun vibrerer inden for et meget snævert frekvensområde. Nanotrådene kunne erstatte de omfangsrige kvartskrystalresonatorer, der findes i mobiltelefoner.
Resonatorer er en integreret del af radiomodtagere og mobiltelefoner. Disse enheder, typisk lavet af kvartskrystaller, udfører den kritiske funktion at udvælge frekvensen af det relevante radiosignal fra kakofonien af transmissioner i æteren. Mens kvartskrystaller fungerer særdeles godt, er de voluminøse. Hvis du ser på chipsene i mobiltelefoner, er resonatorer enorme sammenlignet med resten af kredsløbet, siger NIST-forsker Kris Bertness, en medforfatter af Anvendt fysik bogstaver papir, der beskriver det nye arbejde. Krystalresonatorer optager arealer på millimeter i kvadrat, mens kontrolelektronik optager kvadratmikrometer, siger hun.
Forskere har forsøgt at bygge mikro- og nanoskalaenheder til at erstatte kvartsresonatorer. Problemet er, at efterhånden som resonatorer krymper i størrelse, fungerer de ikke så godt. Tidligere har forskere lavet resonatorer ved hjælp af silicium nanostrenge og kulstof nanorør; nanotrådene dyrket af NIST/Colorado-teamet fungerer mindst 10 gange bedre end nogen af disse.
Resonatorer i radiomodtagere og mobiltelefoner fungerer ved at vibrere inden for et smalt frekvensbånd, vibrerer mest ved båndets centrale frekvens, kaldet resonansfrekvensen. For at bestemme, hvor godt en resonator fungerer, måler ingeniører dens kvalitetsfaktor eller Q-faktor. Dette afhænger af bredden af dette frekvensbånd: Jo smallere det er, jo højere Q-faktor, og jo bedre er en resonator til at bortfiltrere en bestemt radiofrekvens fra nabosignalerne. Kvartskrystaller har høje Q-faktorer, der spænder fra 10.000 til 1.000.000.
Bestræbelser på at bygge mindre resonatorer fra silicium og kulstof nanorør er blevet hæmmet af simpel fysik: Efterhånden som enhederne krymper, falder deres Q-faktorer. Dette skyldes, at på nanoskalaen påvirker selv de mindste urenheder eller defekter i enhedens overflade dens vibrationer. Selv gasmolekyler, der klæber til overfladen, kan ændre nanostrukturens masse, dæmpe dens vibrationer og reducere Q-faktoren.
De nye gallium-nitrid nanotråde overvinder dog nogle af de begrænsninger, som nanostrukturer står over for. Bertness og hendes kolleger dyrker de sekskantede nanotråde på et siliciumsubstrat ved hjælp af en billig, nem metode, der er kompatibel med teknikker, der bruges til at fremstille mikrochips; at erstatte kvartsresonatorer med nanotråde, der er dyrket på denne måde, kan reducere fremstillingsomkostningerne for mobiltelefoner. Nanotrådene har diametre mellem 30 og 500 nanometer og længder på 5 til 20 mikrometer. Ledningerne har ingen krystalfejl, og de har meget lave kemiske urenheder, siger Bertness. Som et resultat har de en tendens til ikke at samle en masse skrammel op fra miljøet, og de er meget glatte. På grund af dette vibrerer de stabilt ved deres resonansfrekvenser og har høje Q-værdier.
For at måle effektiviteten af de nye nanotråde brugte forskerne en piezoelektrisk enhed - en, der konverterer elektriske signaler til mekaniske vibrationer - til at ryste nanotrådene ved forskellige frekvenser. De brugte derefter et scanningselektronmikroskop (SEM) til at observere ledningens vibration og beregne dens resonansfrekvens og Q-faktor. Q-værdierne varierede fra 2.700 til 60.000 - op til 10 gange højere end målt for tidligere eksperimentelle resonatorer i nanoskala.
De meget varierende værdier er et resultat af begrænsninger i SEM-måleteknikken, siger Bertness. Faktisk ændrede Q-værdierne sig med forskellige målinger selv på den samme ledning. Bertness siger, at det skyldes, at den intense elektronstråle får kulstofmolekyler i luften til at aflejre sig på nanotråden og dæmpe dens vibrationer.
Hong Tang , en elektroingeniørprofessor ved Yale University, som også arbejder med resonatorer i nanoskala, er skeptisk over for forskernes resultater. Han siger, at kombinationen af en piezoelektrisk rystning med SEM-detektion hæver Q-værdien kunstigt. Fordi SEM bruger en tæt fokuseret elektronstråle, siger han, hvis nanotråden vibrerer mere end strålepletstørrelsen, er målingen af ledningens forskydning ikke nøjagtig. Tangs gæt er, at de faktiske Q-faktorer sandsynligvis er lavere end de rapporterede værdier, selvom de sandsynligvis stadig er højere end dem, der er rapporteret for siliciumbaserede nanotråde, som har været omkring 1.000. Han siger, at forskerne skulle bruge andre målemetoder for at verificere deres nanotrådes Q-faktorer.
Bertness anerkender behovet for bedre målinger og tilføjer, at nano-resonatoren er langt fra praktisk lige nu. For at blive brugt i en mobiltelefonmodtager skal nanotråden drives af et elektrisk signal, ikke en mekanisk rystelse. Fordi galliumnitrid er piezoelektrisk, mener forskerne, at det burde være muligt, siger hun, og den teori forsøger de nu at bevise.