211service.com
En bättre resonator
Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Colorado i Boulder har tagit ett viktigt steg mot att tillverka resonatorer i nanoskala som kan användas i kommunikationsenheter. Forskarna har odlat galliumnitrid nanotrådar som uppvisar egenskaper som är mycket bättre lämpade för sådan användning än andra nanostrukturer av liknande storlek.
Bra vibrationer: Forskare vid NIST har odlat hexagonala galliumnitrid nanotrådar som vibrerar endast inom ett mycket smalt frekvensområde. Nanotrådarna kan ersätta de skrymmande kvartskristallresonatorerna som finns i mobiltelefoner.
Resonatorer är en integrerad del av radiomottagare och mobiltelefoner. Typiskt gjorda av kvartskristaller, dessa enheter utför den kritiska funktionen att plocka ut frekvensen för den relevanta radiosignalen från kakofonien av sändningar i etern. Även om kvartskristaller fungerar mycket bra, är de skrymmande. Om du tittar på chipsen i mobiltelefoner är resonatorer enorma jämfört med resten av kretsen, säger NIST-forskaren Kris Bertness, en medförfattare till Bokstäver i tillämpad fysik papper som beskriver det nya arbetet. Kristallresonatorer tar upp ytor på millimeter i kvadrat, medan styrelektronik upptar kvadratmikrometer, säger hon.
Forskare har försökt bygga enheter i mikro- och nanoskala för att ersätta kvartsresonatorer. Problemet är att när resonatorer krymper i storlek, fungerar de inte lika bra. Tidigare har forskare gjort resonatorer med kiselnanosträngar och kolnanorör; nanotrådarna som odlas av NIST/Colorado-teamet fungerar minst 10 gånger bättre än någon av dessa.
Resonatorer i radiomottagare och mobiltelefoner fungerar genom att vibrera inom ett smalt band av frekvenser, vibrerar mest vid bandets centrala frekvens, som kallas resonansfrekvensen. För att avgöra hur väl en resonator fungerar, mäter ingenjörer dess kvalitetsfaktor eller Q-faktor. Detta beror på bredden på detta frekvensband: ju smalare det är, desto högre Q-faktor och desto bättre är en resonator på att filtrera bort en viss radiofrekvens från närliggande signaler. Kvartskristaller har höga Q-faktorer, från 10 000 till 1 000 000.
Ansträngningar att bygga mindre resonatorer från kisel- och kolnanorör har hindrats av enkel fysik: när enheterna krymper, minskar deras Q-faktorer. Detta beror på att på nanoskala påverkar även de minsta föroreningar eller defekter på enhetens yta dess vibrationer. Även gasmolekyler som fastnar på ytan kan förändra nanostrukturens massa, dämpa dess vibrationer och minska Q-faktorn.
De nya galliumnitrid nanotrådarna övervinner dock några av de begränsningar som nanostrukturer möter. Bertness och hennes kollegor odlar de hexagonala nanotrådarna på ett kiselsubstrat med en billig, enkel metod som är kompatibel med tekniker som används för att tillverka mikrochips; Att ersätta kvartsresonatorer med nanotrådar som odlats på detta sätt kan minska tillverkningskostnaderna för mobiltelefoner. Nanotrådarna har diametrar mellan 30 och 500 nanometer och längder på 5 till 20 mikrometer. Ledningarna har inga kristalldefekter, och de har mycket låga kemiska föroreningar, säger Bertness. Som ett resultat tenderar de att inte plocka upp mycket skräp från miljön, och de är väldigt smidiga. På grund av detta vibrerar de stabilt vid sina resonansfrekvenser och har höga Q-värden.
För att mäta effektiviteten av de nya nanotrådarna använde forskarna en piezoelektrisk enhet - en som omvandlar elektriska signaler till mekaniska vibrationer - för att skaka nanotrådarna vid olika frekvenser. De använde sedan ett svepelektronmikroskop (SEM) för att observera trådens vibration och beräkna dess resonansfrekvens och Q-faktor. Q-värdena varierade från 2 700 till 60 000–upp till 10 gånger högre än vad som uppmätts för tidigare experimentella resonatorer i nanoskala.
De mycket varierande värdena är ett resultat av begränsningar i SEM-mättekniken, säger Bertness. Faktum är att Q-värdena ändrades med olika mätningar även på samma tråd. Bertness säger att detta beror på att den intensiva elektronstrålen gör att kolmolekyler i luften avsätts på nanotråden, vilket dämpar dess vibrationer.
Hong Tang , en elektroteknikprofessor vid Yale University, som också arbetar med resonatorer i nanoskala, är skeptisk till forskarnas resultat. Han säger att kombinationen av en piezoelektrisk skakning med SEM-detektion höjer Q-värdet på konstgjord väg. Eftersom SEM använder en tätt fokuserad elektronstråle, säger han, om nanotråden vibrerar mer än strålens fläckstorlek, är mätningen av trådens förskjutning inte korrekt. Tangs gissning är att de faktiska Q-faktorerna förmodligen är lägre än de rapporterade värdena, även om de fortfarande sannolikt är högre än de som rapporterats för kiselbaserade nanotrådar, som har varit runt 1 000. Han säger att forskarna skulle behöva använda andra mätmetoder för att verifiera sina nanotrådars Q-faktorer.
Bertness erkänner behovet av bättre mätningar och tillägger att nanoresonatorn är långt ifrån praktisk just nu. För att kunna användas i en mobiltelefonmottagare måste nanotråden drivas av en elektrisk signal, inte en mekanisk skakning. Eftersom galliumnitrid är piezoelektriskt anser forskarna att det borde vara möjligt, säger hon, och den teorin försöker de nu bevisa.