211service.com
Een betere resonator
Onderzoekers aan de Nationaal Instituut voor Standaarden en Technologie (NIST) en de Universiteit van Colorado in Boulder hebben een belangrijke stap gezet in de richting van het maken van resonatoren op nanoschaal die in communicatieapparatuur kunnen worden gebruikt. De onderzoekers hebben galliumnitride-nanodraden gekweekt die eigenschappen vertonen die veel beter geschikt zijn voor dergelijke toepassingen dan andere nanostructuren van vergelijkbare grootte.
Goede sfeer: Onderzoekers van NIST hebben hexagonale galliumnitride-nanodraden gekweekt die alleen trillen binnen een zeer smal frequentiebereik. De nanodraden zouden de omvangrijke kwartskristalresonatoren in mobiele telefoons kunnen vervangen.
Resonatoren zijn een integraal onderdeel van radio-ontvangers en mobiele telefoons. Deze apparaten, die typisch zijn gemaakt van kwartskristallen, vervullen de cruciale functie van het oppikken van de frequentie van het relevante radiosignaal uit de kakofonie van uitzendingen in de ether. Hoewel kwartskristallen buitengewoon goed presteren, zijn ze omvangrijk. Als je naar de chips in mobiele telefoons kijkt, zijn resonatoren enorm in vergelijking met de rest van het circuit, zegt NIST-onderzoeker Kris Bertness, een co-auteur van de Technische Natuurkunde Brieven papier dat het nieuwe werk schetst. Kristalresonatoren nemen oppervlakten van vierkante millimeters in beslag, terwijl besturingselektronica vierkante micrometers in beslag neemt, zegt ze.
Onderzoekers hebben geprobeerd apparaten op micro- en nanoschaal te bouwen om kwartsresonatoren te vervangen. Het probleem is dat als resonatoren kleiner worden, ze niet zo goed werken. In het verleden hebben onderzoekers resonatoren gemaakt met silicium nanostrings en koolstof nanobuisjes; de nanodraden die door het NIST/Colorado-team zijn gekweekt, werken minstens 10 keer beter dan al deze.
Resonatoren in radio-ontvangers en mobiele telefoons werken door te trillen binnen een smalle frequentieband, waarbij ze het meest trillen op de centrale frequentie van de band, de resonantiefrequentie genoemd. Om te bepalen hoe goed een resonator werkt, meten ingenieurs de kwaliteitsfactor of Q-factor. Dit hangt af van de breedte van deze frequentieband: hoe smaller deze is, hoe hoger de Q-factor en hoe beter een resonator een bepaalde radiofrequentie uit de naburige signalen kan filteren. Kwartskristallen hebben hoge Q-factoren, variërend van 10.000 tot 1.000.000.
Pogingen om kleinere resonatoren van silicium- en koolstofnanobuizen te bouwen, werden belemmerd door eenvoudige fysica: naarmate de apparaten krimpen, nemen hun Q-factoren af. Dit komt omdat op nanoschaal zelfs de kleinste onzuiverheden of defecten in het apparaatoppervlak de trillingen beïnvloeden. Zelfs gasmoleculen die aan het oppervlak kleven, kunnen de massa van de nanostructuur veranderen, de trillingen dempen en de Q-factor verminderen.
De nieuwe galliumnitride-nanodraden overwinnen echter enkele van de beperkingen waarmee nanostructuren worden geconfronteerd. Bertness en haar collega's kweken de hexagonale nanodraden op een siliciumsubstraat met behulp van een goedkope, gemakkelijke methode die compatibel is met technieken die worden gebruikt om microchips te vervaardigen; het vervangen van kwartsresonatoren door op deze manier gekweekte nanodraden kan de productiekosten voor mobiele telefoons verlagen. De nanodraden hebben een diameter tussen 30 en 500 nanometer en een lengte van 5 tot 20 micrometer. De draden hebben geen kristaldefecten en ze hebben een zeer lage chemische onzuiverheid, zegt Bertness. Als gevolg hiervan hebben ze de neiging om niet veel rotzooi uit de omgeving op te nemen en zijn ze erg soepel. Hierdoor trillen ze stabiel op hun resonantiefrequenties en hebben ze hoge Q-waarden.
Om de effectiviteit van de nieuwe nanodraden te meten, gebruikten de onderzoekers een piëzo-elektrisch apparaat - een apparaat dat elektrische signalen omzet in mechanische trillingen - om de nanodraden op verschillende frequenties te schudden. Vervolgens gebruikten ze een scanning elektronenmicroscoop (SEM) om de trilling van de draad te observeren en de resonantiefrequentie en Q-factor te berekenen. De Q-waarden varieerden van 2.700 tot 60.000 - tot 10 keer hoger dan gemeten voor eerdere experimentele resonatoren op nanoschaal.
De sterk variërende waarden zijn het gevolg van beperkingen in de SEM-meettechniek, zegt Bertness. Inderdaad, de Q-waarden veranderden met verschillende metingen, zelfs op dezelfde draad. Bertness zegt dat dit komt omdat de intense elektronenstraal ervoor zorgt dat koolstofmoleculen in de lucht zich op de nanodraad afzetten, waardoor de trillingen worden gedempt.
Hong Tang , een professor elektrotechniek aan de Yale University, die ook werkt aan resonatoren op nanoschaal, is sceptisch over de resultaten van de onderzoekers. Hij zegt dat het combineren van een piëzo-elektrisch schudden met SEM-detectie de Q-waarde kunstmatig verhoogt. Omdat SEM een strak gefocuste elektronenstraal gebruikt, zegt hij, is de meting van de verplaatsing van de draad niet nauwkeurig als de nanodraad meer trilt dan de bundelvlekgrootte. Tang's gok is dat de werkelijke Q-factoren waarschijnlijk lager zijn dan de gerapporteerde waarden, hoewel ze waarschijnlijk nog steeds hoger zijn dan die gerapporteerd voor op silicium gebaseerde nanodraden, die rond de 1.000 waren. Hij zegt dat de onderzoekers andere meetmethoden zouden moeten gebruiken om de Q-factoren van hun nanodraden te verifiëren.
Bertness erkent de noodzaak van betere metingen en voegt eraan toe dat de nano-resonator op dit moment verre van praktisch is. Om te worden gebruikt in een mobiele telefoonontvanger, moet de nanodraad worden aangedreven door een elektrisch signaal, niet door mechanisch schudden. Omdat galliumnitride piëzo-elektrisch is, denken de onderzoekers dat dit mogelijk moet zijn, zegt ze, en die theorie proberen ze nu te bewijzen.