211service.com
Labāks rezonators
Pētnieki pie Nacionālais standartu un tehnoloģiju institūts (NIST) un Kolorādo universitāte Boulderā ir spēruši svarīgu soli, lai izveidotu nanomēroga rezonatorus, ko varētu izmantot sakaru ierīcēs. Pētnieki ir izaudzējuši gallija-nitrīda nanovadus, kuru īpašības ir daudz labāk piemērotas šādiem lietojumiem nekā citas līdzīga izmēra nanostruktūras.
Labas vibrācijas: NIST pētnieki ir izaudzējuši sešstūra gallija-nitrīda nanovadus, kas vibrē tikai ļoti šaurā frekvenču diapazonā. Nanovadi varētu aizstāt apjomīgos kvarca kristāla rezonatorus, kas atrodami mobilajos tālruņos.
Rezonatori ir neatņemama radio uztvērēju un mobilo tālruņu sastāvdaļa. Šīs ierīces parasti ir izgatavotas no kvarca kristāliem, un tās veic kritisko funkciju, lai noteiktu attiecīgā radiosignāla frekvenci no pārraides kakofonijas ētera viļņos. Lai gan kvarca kristāli darbojas ļoti labi, tie ir apjomīgi. Ja paskatās uz mikroshēmām mobilajos tālruņos, rezonatori ir milzīgi, salīdzinot ar pārējām shēmām, saka NIST pētnieks Kriss Bertness, pētījuma līdzautors. Lietišķās fizikas burti papīrs, kurā izklāstīts jaunais darbs. Viņa saka, ka kristāla rezonatori aizņem milimetrus kvadrātā, bet vadības elektronika aizņem kvadrātmikrometrus.
Pētnieki ir mēģinājuši izveidot mikro un nanomēroga ierīces, lai aizstātu kvarca rezonatorus. Problēma ir tā, ka rezonatoriem samazinoties izmēram, tie nedarbojas tik labi. Agrāk pētnieki ir izgatavojuši rezonatorus, izmantojot silīcija nanostīgas un oglekļa nanocaurules; NIST/Colorado komandas izstrādātie nanovadi darbojas vismaz 10 reizes labāk nekā jebkurš no šiem.
Radiouztvērēju un mobilo tālruņu rezonatori darbojas, vibrējot šaurā frekvenču joslā, visvairāk vibrējot joslas centrālajā frekvencē, ko sauc par rezonanses frekvenci. Lai noteiktu, cik labi rezonators darbojas, inženieri mēra tā kvalitātes koeficientu jeb Q faktoru. Tas ir atkarīgs no šīs frekvenču joslas platuma: jo šaurāks tas ir, jo augstāks ir Q koeficients un jo labāk rezonators filtrē noteiktu radiofrekvenci no blakus signāliem. Kvarca kristāliem ir augsts Q koeficients, kas svārstās no 10 000 līdz 1 000 000.
Centienus izveidot mazākus rezonatorus no silīcija un oglekļa nanocaurulēm kavēja vienkārša fizika: ierīcēm sarūkot, to Q koeficienti samazinās. Tas ir tāpēc, ka nanomērogā pat vismazākie piemaisījumi vai defekti ierīces virsmā ietekmē tās vibrācijas. Pat gāzes molekulas, kas pielīp pie virsmas, var mainīt nanostruktūras masu, slāpējot tās vibrācijas un samazinot Q koeficientu.
Tomēr jaunie gallija nitrīda nanovadi pārvar dažus ierobežojumus, ar kuriem saskaras nanostruktūras. Bertness un viņas kolēģi audzē sešstūra nanovadus uz silīcija substrāta, izmantojot lētu, vienkāršu metodi, kas ir saderīga ar paņēmieniem, ko izmanto mikroshēmu ražošanā; kvarca rezonatoru aizstāšana ar šādā veidā audzētiem nanovadiem var samazināt mobilo tālruņu ražošanas izmaksas. Nanovadu diametrs ir no 30 līdz 500 nanometriem un garums no 5 līdz 20 mikrometriem. Vadiem nav kristāla defektu, un tiem ir ļoti maz ķīmisko piemaisījumu, saka Bertness. Tā rezultātā tie parasti nesaņem daudz atkritumu no vides, un tie ir ļoti gludi. Šī iemesla dēļ tie stabili vibrē savās rezonanses frekvencēs un tiem ir augstas Q vērtības.
Lai izmērītu jauno nanovadu efektivitāti, pētnieki izmantoja pjezoelektrisko ierīci, kas pārvērš elektriskos signālus mehāniskās vibrācijās, lai satricinātu nanovadus dažādās frekvencēs. Pēc tam viņi izmantoja skenējošu elektronu mikroskopu (SEM), lai novērotu stieples vibrāciju un aprēķinātu tā rezonanses frekvenci un Q koeficientu. Q vērtības svārstījās no 2700 līdz 60 000 līdz 10 reizēm lielākas nekā iepriekšējiem eksperimentālajiem nanomēroga rezonatoriem.
Bertness saka, ka ļoti atšķirīgās vērtības ir SEM mērīšanas tehnikas ierobežojumu rezultāts. Patiešām, Q vērtības mainījās ar dažādiem mērījumiem pat uz viena un tā paša vada. Bertness saka, ka tas ir tāpēc, ka intensīvais elektronu stars liek gaisā esošajām oglekļa molekulām nogulsnēties uz nanovada, mazinot tā vibrācijas.
Hontanga Jēlas universitātes elektroinženieru profesors, kurš arī strādā pie nanomēroga rezonatoriem, ir skeptisks par pētnieku rezultātiem. Viņš saka, ka pjezoelektriskās kratīšanas apvienošana ar SEM noteikšanu mākslīgi palielina Q vērtību. Tā kā SEM izmanto cieši fokusētu elektronu staru, viņš saka, ja nanovads vibrē vairāk nekā staru kūļa vietas izmērs, stieples pārvietošanās mērījums nav precīzs. Tanga minējums ir tāds, ka faktiskie Q faktori, iespējams, ir zemāki par ziņotajām vērtībām, lai gan tie joprojām, visticamāk, būs augstāki par tiem, kas ziņots silīcija nanovadiem, kas ir bijuši aptuveni 1000. Viņš saka, ka pētniekiem būs jāizmanto citas mērīšanas metodes, lai pārbaudītu savu nanovadu Q faktorus.
Bertness atzīst nepieciešamību pēc labākiem mērījumiem, piebilstot, ka nanorezonators šobrīd ir tālu no praktiska. Lai to izmantotu mobilā tālruņa uztvērējā, nanovads būs jāvada ar elektrisku signālu, nevis mehānisku kratīšanu. Tā kā gallija nitrīds ir pjezoelektrisks, pētnieki uzskata, ka tam vajadzētu būt iespējamam, viņa saka, un viņi tagad mēģina pierādīt šo teoriju.