Ekipa raziskovalcev iz Columbia Inženiring, ki jih vodita profesor za strojništvo, James Brus in profesor za elektrotehniko Kenneth Shepard, je izkoristila posebne lastnosti grafena (mehanska trdnost in električna prevodnost) in ustvarila nano-mehanski sistem, ki je sposoben ustvariti FM signal za najmanjši FM radijski oddajnik na svetu. Študija je bila 18. novembra objavljena na spletu.
„Gre za pomembno delo, saj je na ta način praktično uspešno uporabljen grafen v aplikaciji, kjer niti podobnih rezultatov ne bi bilo mogoče doseči z uporabo običajnih materialov,“ pravi Hone. „In to je pomemben prvi korak pri pospeševanju obdelave brezžičnega signala in oblikovanje tankih, učinkovitih mobilnih telefonov. Naše naprave so precej manjše od vseh do sedaj znanih virov radijskih signalov in se lahko dodaja istemu čipu, ki se uporablja za obdelavo podatkov. „
Grafen je plast ogljika debeline enega atoma, ki ga najdemo v sodobnih čipih in je najmočnejši material, kar jih danes poznamo. Ima odlične električne lastnosti, kadar se uporablja skupaj s silicijem in kombinacija teh lastnosti je tako nadpovprečna, da lahko mirno ocenimo grafen kot idealen material za nanomehanske sisteme (NEMS), ki so pomanjšane različice mikroelektromehanskih sistemov (MEMS), ki se pogosto uporabljajo za zaznavanje vibracij in pospeška. Hone pojasnjuje, da na primer za samodejno vrtenje prikaza na zaslonu vašega pametnega telefona ali tabličnega računalnika ravno MEMS senzorji ugotavljajo, kako je ta obrnjen ali nagnjen. V tej novi študiji je skupina izkoristila mehansko »razteznost“ za nastavitev izhodne frekvence njihovega izdelanega oscilatorja, ki ustvarja nanomehansko različico elektronskega vezja, ki ga poznamo kot napetostno krmiljen oscilator (VCO). Hone pojasnjuje, da je z VCO čisto preprosto ustvariti frekvenčno moduliran (FM) signal, točno to, kar se tudi sicer uporablja za FM radijsko oddajanje. Ekipa je zgradila plasti grafena NEMS, katerega frekvenca je okrog 100 MHz, tako da leži prav v sredini FM radiofrekvenčnega pasu (87,7-108 MHz). Za moduliranje 100 MHz nosilnega signala, ki ga ustvari grafen, so uporabili nizkofrekvenčni tonski signal (oba, čisti ton in pesem, predvajano iz iPhone) in nato ponovno sprejemali te glasbene signale s pomočjo navadnega FM radijskega sprejemnika.
„Ta naprava je daleč najmanjši sistem, ki sploh lahko ustvari take FM signale,“ pravi Hone.
Medtem, ko grafenski NEMS ne nameravajo uporabiti kot zamenjavo za običajne radijske oddajnike, pa imajo veliko prihodnost pri procesiranju brezžičnega signala. Shepard pojasnjuje takole: „Zaradi nenehnega manjšanja velikosti elektronskih vezij, kar je znano kot“ Moorov zakon“, imajo današnji mobilni telefoni več procesne moči kot nekoč sistemi, ki so imeli za podobno delo velikost celotne sobe. Vendar pa je nekatere vrste naprav veliko težje miniaturizirati, zlasti tiste, ki so potrebne pri ustvarjanju in obdelavi radijskih signalov. Te komponente, ki se običajno nahajajo tudi izven integriranega vezja, zavzamejo veliko prostora in porabijo veliko električne energije. Poleg tega večine teh komponent ni mogoče na preprost način nastaviti na določeno frekvenco, kar zahteva hkrati veliko število podobnih enot za pokrivanje celotnega območja frekvenc, ki se uporabljajo pri neki brezžični komunikaciji“.
Z grafenskimi NEMS lahko rešimo oba problema: so zelo kompaktni in se jih preprosto integrira skupaj z drugimi vrstami elektronike, njihova frekvenca pa je zaradi izjemne mehanske trdnosti grafena nastavljiva v širokem območju frekvenc.
„Seveda je pred nami še dolga pot do dejanskih aplikacij na tem področju,“ ugotavlja Hone, „vendar je to, kar smo naredili doslej, pomemben prvi korak. Veseli smo, da smo lahko uspešno dokazali, kako lahko ta čudežni material uporabimo za doseganje praktičnega tehnološkega napredka, kar je za nas inženirje še posebej obetavno. „
Skupine pod vodstvom Hone-a in Sheparda zdaj delajo na izboljšanju delovanja grafenskih oscilatorjev, da bi dosegli manjši šum. Istočasno poskušajo tudi praktično prikazati vgradnjo grafenskih NEMS v polprevodniška integrirana vezja, kar bi vodilo do oblikovanja še bolj kompaktnih oscilatorjev. Za to študijo je ekipa delala z raziskovalnimi skupinami iz oddelkov za strojništvo, elektrotehniko in fiziko univerze Columbia. Te raziskave podpirata Qualcomm Innovation Fellowship 2012 in letalske sile ZDA z uporabo vseh virov in možnosti pri Cornell Nano-Scale Facility in čiste sobe v Center for Engineering and Physical Science Research (CEPSR) na kolumbijski univerzi.
Najmanjši FM radijski oddajnik na svetu
2014_SE215_9
