211service.com
Lepší rezonátor
Výzkumníci na Národní institut pro standardy a technologie (NIST) a University of Colorado v Boulderu učinily důležitý krok k výrobě nanoměřítek rezonátorů, které by mohly být použity v komunikačních zařízeních. Vědci vypěstovali nanodrátky z nitridu galia, které vykazují vlastnosti mnohem vhodnější pro taková použití než jiné nanostruktury podobných velikostí.
Dobré vibrace: Výzkumníci z NIST vypěstovali hexagonální nanodrátky z nitridu galia, které vibrují pouze ve velmi úzkém rozsahu frekvencí. Nanodrátky by mohly nahradit objemné křemenné krystalové rezonátory nalezené v mobilních telefonech.
Rezonátory jsou nedílnou součástí rádiových přijímačů a mobilních telefonů. Tato zařízení jsou obvykle vyrobena z křemenných krystalů a plní kritickou funkci výběru frekvence příslušného rádiového signálu z kakofonie vysílání v éteru. Zatímco krystaly křemene fungují mimořádně dobře, jsou objemné. Když se podíváte na čipy v mobilních telefonech, rezonátory jsou obrovské ve srovnání se zbytkem obvodů, říká výzkumník NIST Kris Bertness, spoluautor studie. Dopisy z aplikované fyziky papír, který nastiňuje novou práci. Krystalové rezonátory zabírají oblasti milimetrů na druhou, zatímco řídicí elektronika zabírá čtvereční mikrometry, říká.
Výzkumníci se pokoušeli vytvořit zařízení v mikro a nanoměřítku, která by nahradila křemenné rezonátory. Problém je v tom, že jak se rezonátory zmenšují, nefungují tak dobře. V minulosti výzkumníci vyráběli rezonátory pomocí křemíkových nanostrun a uhlíkových nanotrubic; nanodrátky vypěstované týmem NIST/Colorado fungují nejméně 10krát lépe než kterýkoli z nich.
Rezonátory v rádiových přijímačích a mobilních telefonech fungují tak, že vibrují v úzkém pásmu frekvencí, přičemž nejvíce vibrují na centrální frekvenci pásma, nazývané rezonanční frekvence. Aby technici určili, jak dobře rezonátor funguje, měří jeho faktor kvality neboli Q faktor. To závisí na šířce tohoto frekvenčního pásma: čím užší je, tím vyšší je Q faktor a tím lépe rezonátor odfiltruje konkrétní rádiovou frekvenci ze sousedních signálů. Krystaly křemene mají vysoké faktory Q, v rozmezí od 10 000 do 1 000 000.
Snahy o vybudování menších rezonátorů z křemíkových a uhlíkových nanotrubic brzdila jednoduchá fyzika: jak se zařízení zmenšují, jejich Q faktory klesají. V nanoměřítku totiž i ty nejmenší nečistoty nebo defekty na povrchu zařízení ovlivňují jeho vibrace. Dokonce i molekuly plynu ulpívající na povrchu mohou změnit hmotnost nanostruktury, tlumit její vibrace a snížit Q faktor.
Nové nanodrátky z nitridu galia však překonávají některá omezení, kterým nanostruktury čelí. Bertness a její kolegové pěstují hexagonální nanodrátky na křemíkovém substrátu pomocí levné a snadné metody kompatibilní s technikami používanými k výrobě mikročipů; nahrazení křemenných rezonátorů nanodrátky pěstovanými tímto způsobem by mohlo snížit výrobní náklady na mobilní telefony. Nanodrátky mají průměry mezi 30 a 500 nanometry a délky 5 až 20 mikrometrů. Dráty nemají žádné krystalové vady a mají velmi nízké chemické nečistoty, říká Bertness. Výsledkem je, že mají tendenci nevychytávat mnoho harampádí z prostředí a jsou velmi hladké. Kvůli tomu vibrují stabilně na svých rezonančních frekvencích a mají vysoké hodnoty Q.
K měření účinnosti nových nanodrátů použili vědci piezoelektrické zařízení – takové, které převádí elektrické signály na mechanické vibrace – k třepání nanodrátů na různých frekvencích. Poté použili rastrovací elektronový mikroskop (SEM) k pozorování vibrací drátu a výpočtu jeho rezonanční frekvence a Q faktoru. Hodnoty Q se pohybovaly od 2 700 do 60 000 – až 10krát vyšší, než byly naměřeny u předchozích experimentálních nanoměřítek rezonátorů.
Značně se měnící hodnoty jsou výsledkem omezení v technice měření SEM, říká Bertness. Ve skutečnosti se hodnoty Q měnily s různými měřeními i na stejném drátu. Bertness říká, že je to proto, že intenzivní elektronový paprsek způsobuje, že se molekuly uhlíku ve vzduchu usazují na nanodrátu a tlumí jeho vibrace.
Hong Tang , profesor elektrotechniky na Yaleově univerzitě, který také pracuje na nanoměřítku rezonátorů, je k výsledkům výzkumníků skeptický. Říká, že kombinace piezoelektrického chvění s detekcí SEM uměle zvyšuje hodnotu Q. Protože SEM používá těsně zaostřený elektronový paprsek, říká, že pokud nanodrát vibruje více, než je velikost bodu paprsku, měření posunu drátu není přesné. Tang odhaduje, že skutečné Q faktory jsou pravděpodobně nižší než uváděné hodnoty, i když pravděpodobně budou stále vyšší než ty, které byly hlášeny pro nanodrátky na bázi křemíku, kterých bylo kolem 1000. Říká, že výzkumníci by museli použít jiné metody měření, aby ověřili Q faktory svých nanodrátů.
Bertness uznává potřebu lepších měření a dodává, že nano rezonátor není v současnosti ani zdaleka praktický. Aby mohl být nanodrát použit v přijímači mobilního telefonu, bude muset být poháněn elektrickým signálem, nikoli mechanickým třesem. Protože nitrid galia je piezoelektrický, vědci se domnívají, že by to mělo být možné, říká, a nyní se snaží tuto teorii dokázat.