211service.com
Lepszy rezonator
Naukowcy z Narodowy Instytut Standardów i Technologii (NIST) i University of Colorado w Boulder podjęły ważny krok w kierunku stworzenia rezonatorów w nanoskali, które można by wykorzystać w urządzeniach komunikacyjnych. Naukowcy wyhodowali nanodruty z azotku galu, które wykazują właściwości znacznie lepiej dostosowane do takich zastosowań niż inne nanostruktury o podobnych rozmiarach.
Pozytywne Wibracje: Naukowcy z NIST wyhodowali heksagonalne nanodruty z azotku galu, które wibrują tylko w bardzo wąskim zakresie częstotliwości. Nanodruty mogą zastąpić nieporęczne rezonatory z kryształu kwarcu, które można znaleźć w telefonach komórkowych.
Rezonatory są integralną częścią odbiorników radiowych i telefonów komórkowych. Urządzenia te, zwykle wykonane z kryształów kwarcu, pełnią kluczową funkcję polegającą na wykrywaniu częstotliwości odpowiedniego sygnału radiowego z kakofonii transmisji w falach radiowych. Chociaż kryształy kwarcu działają wyjątkowo dobrze, są nieporęczne. Jeśli spojrzysz na chipy w telefonach komórkowych, rezonatory są ogromne w porównaniu z resztą obwodów, mówi badacz NIST Kris Bertness, współautor Stosowane litery fizyki papier, który przedstawia nową pracę. Rezonatory kryształowe zajmują powierzchnie milimetrów kwadratowych, podczas gdy elektronika sterująca zajmuje mikrometry kwadratowe.
Naukowcy próbowali zbudować urządzenia w mikro- i nanoskali, które zastąpiłyby rezonatory kwarcowe. Problem polega na tym, że rezonatory zmniejszają się i nie działają tak dobrze. W przeszłości naukowcy tworzyli rezonatory przy użyciu nanostrun krzemowych i nanorurek węglowych; nanodruty wyhodowane przez zespół NIST/Colorado działają co najmniej 10 razy lepiej niż którykolwiek z nich.
Rezonatory w odbiornikach radiowych i telefonach komórkowych działają na zasadzie wibracji w wąskim paśmie częstotliwości, najbardziej wibrując na częstotliwości środkowej pasma, zwanej częstotliwością rezonansową. Aby określić, jak dobrze działa rezonator, inżynierowie mierzą jego współczynnik jakości lub współczynnik Q. Zależy to od szerokości tego pasma częstotliwości: im jest ono węższe, tym wyższy współczynnik Q i tym lepiej rezonator odfiltrowuje określoną częstotliwość radiową z sąsiednich sygnałów. Kryształy kwarcu mają wysokie współczynniki Q, od 10 000 do 1 000 000.
Wysiłki zmierzające do zbudowania mniejszych rezonatorów z nanorurek krzemowych i węglowych zostały utrudnione przez prostą fizykę: wraz z kurczeniem się urządzeń zmniejszają się ich współczynniki Q. Dzieje się tak, ponieważ w nanoskali nawet najmniejsze zanieczyszczenia czy defekty na powierzchni urządzenia wpływają na jego drgania. Nawet cząsteczki gazu przywierające do powierzchni mogą zmienić masę nanostruktury, tłumiąc jej drgania i zmniejszając współczynnik Q.
Jednak nowe nanodruty z azotku galu przezwyciężają pewne ograniczenia, z jakimi borykają się nanostruktury. Bertness i jej koledzy hodują heksagonalne nanodruty na podłożu krzemowym, stosując tanią i łatwą metodę zgodną z technikami stosowanymi do produkcji mikroukładów; zastąpienie rezonatorów kwarcowych hodowanymi w ten sposób nanoprzewodami może obniżyć koszty produkcji telefonów komórkowych. Nanodruty mają średnice od 30 do 500 nanometrów i długości od 5 do 20 mikrometrów. Druty nie mają defektów krystalicznych i mają bardzo niskie zanieczyszczenia chemiczne – mówi Bertness. W rezultacie nie zbierają dużo śmieci z otoczenia i są bardzo gładkie. Z tego powodu wibrują stabilnie przy swoich częstotliwościach rezonansowych i mają wysokie wartości Q.
Aby zmierzyć skuteczność nowych nanoprzewodów, naukowcy wykorzystali urządzenie piezoelektryczne – takie, które przekształca sygnały elektryczne w wibracje mechaniczne – do potrząsania nanoprzewodami z różnymi częstotliwościami. Następnie wykorzystali skaningowy mikroskop elektronowy (SEM), aby zaobserwować drgania drutu i obliczyć jego częstotliwość rezonansową oraz współczynnik Q. Wartości Q wahały się od 2700 do 60 000 – do 10 razy wyższe niż zmierzone dla poprzednich eksperymentalnych rezonatorów w nanoskali.
Szeroko różniące się wartości wynikają z ograniczeń techniki pomiarowej SEM, mówi Bertness. Rzeczywiście, wartości Q zmieniały się przy różnych pomiarach nawet na tym samym przewodzie. Bertness twierdzi, że dzieje się tak, ponieważ intensywna wiązka elektronów powoduje, że cząsteczki węgla z powietrza osadzają się na nanodrutach, tłumiąc jego wibracje.
Hong Tang , profesor elektrotechniki na Uniwersytecie Yale, który pracuje również nad rezonatorami w nanoskali, sceptycznie odnosi się do wyników naukowców. Mówi, że połączenie wstrząsu piezoelektrycznego z detekcją SEM sztucznie podnosi wartość Q. Ponieważ SEM wykorzystuje mocno skupioną wiązkę elektronów, mówi, że jeśli nanodrut wibruje bardziej niż rozmiar plamki wiązki, pomiar przemieszczenia drutu nie jest dokładny. Tang przypuszcza, że rzeczywiste współczynniki Q są prawdopodobnie niższe niż podane wartości, chociaż nadal prawdopodobnie są wyższe niż te zgłaszane dla nanodrutów krzemowych, które wynosiły około 1000. Mówi, że naukowcy musieliby użyć innych metod pomiarowych, aby zweryfikować współczynniki Q swoich nanoprzewodów.
Bertness przyznaje, że potrzebne są lepsze pomiary, dodając, że rezonator nano jest obecnie daleki od praktycznego zastosowania. Aby zastosować go w odbiorniku telefonu komórkowego, nanodrut będzie musiał być napędzany sygnałem elektrycznym, a nie mechanicznym wstrząsem. Ponieważ azotek galu jest piezoelektryczny, naukowcy uważają, że powinno to być możliwe, a teraz próbują udowodnić tę teorię.