211service.com
Ein besserer Resonator
Forscher am Nationales Institut für Standards und Technologie (NIST) und der University of Colorado in Boulder haben einen wichtigen Schritt zur Herstellung nanoskaliger Resonatoren unternommen, die in Kommunikationsgeräten verwendet werden könnten. Die Forscher haben Gallium-Nitrid-Nanodrähte gezüchtet, deren Eigenschaften für solche Anwendungen viel besser geeignet sind als andere Nanostrukturen ähnlicher Größe.
Gute Stimmung: Forscher am NIST haben hexagonale Galliumnitrid-Nanodrähte gezüchtet, die nur in einem sehr engen Frequenzbereich schwingen. Die Nanodrähte könnten die sperrigen Quarzkristall-Resonatoren in Mobiltelefonen ersetzen.
Resonatoren sind ein wesentlicher Bestandteil von Funkempfängern und Mobiltelefonen. Typischerweise aus Quarzkristallen gefertigt, erfüllen diese Geräte die kritische Funktion, die Frequenz des relevanten Funksignals aus der Kakophonie der Übertragungen im Äther herauszulesen. Obwohl Quarzkristalle außerordentlich gute Leistungen erbringen, sind sie sperrig. Wenn man sich die Chips in Mobiltelefonen ansieht, sind die Resonatoren im Vergleich zum Rest der Schaltung riesig, sagt NIST-Forscher Kris Bertness, Mitautor der Angewandte Physik Briefe Papier, das die neue Arbeit skizziert. Kristallresonatoren nehmen Flächen im Quadratmillimeter ein, während Steuerelektronik Quadratmikrometer einnimmt, sagt sie.
Forscher haben versucht, mikro- und nanoskalige Geräte zu bauen, um Quarzresonatoren zu ersetzen. Das Problem ist, dass Resonatoren mit abnehmender Größe nicht so gut funktionieren. In der Vergangenheit haben Forscher Resonatoren mit Silizium-Nanostrings und Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellt; die vom NIST/Colorado-Team gezüchteten Nanodrähte funktionieren mindestens zehnmal besser als alle diese.
Resonatoren in Funkempfängern und Mobiltelefonen schwingen in einem schmalen Frequenzband und schwingen am stärksten bei der Mittenfrequenz des Bandes, der sogenannten Resonanzfrequenz. Um zu bestimmen, wie gut ein Resonator funktioniert, messen Ingenieure seinen Qualitätsfaktor oder Q-Faktor. Dies hängt von der Breite dieses Frequenzbandes ab: Je schmaler es ist, desto höher ist der Q-Faktor und desto besser kann ein Resonator eine bestimmte Hochfrequenz aus den Nachbarsignalen herausfiltern. Quarzkristalle haben hohe Q-Faktoren, die von 10.000 bis 1.000.000 reichen.
Bemühungen, kleinere Resonatoren aus Silizium- und Kohlenstoff-Nanoröhrchen zu bauen, wurden durch einfache Physik behindert: Wenn die Geräte schrumpfen, sinkt ihr Q-Faktor. Denn auf der Nanoskala beeinflussen selbst kleinste Verunreinigungen oder Defekte in der Geräteoberfläche deren Schwingungen. Selbst an der Oberfläche haftende Gasmoleküle können die Masse der Nanostruktur verändern, ihre Schwingungen dämpfen und den Q-Faktor verringern.
Die neuen Gallium-Nitrid-Nanodrähte überwinden jedoch einige der Einschränkungen, denen Nanostrukturen ausgesetzt sind. Bertness und ihre Kollegen lassen die hexagonalen Nanodrähte auf einem Siliziumsubstrat mit einer billigen und einfachen Methode wachsen, die mit Techniken zur Herstellung von Mikrochips kompatibel ist; Der Ersatz von Quarzresonatoren durch auf diese Weise gewachsene Nanodrähte könnte die Herstellungskosten für Mobiltelefone senken. Die Nanodrähte haben Durchmesser zwischen 30 und 500 Nanometer und Längen von 5 bis 20 Mikrometer. Die Drähte weisen keine Kristallfehler auf und haben sehr geringe chemische Verunreinigungen, sagt Bertness. Daher neigen sie dazu, nicht viel Müll aus der Umgebung aufzunehmen, und sie sind sehr glatt. Aus diesem Grund schwingen sie stabil bei ihren Resonanzfrequenzen und haben hohe Q-Werte.
Um die Wirksamkeit der neuen Nanodrähte zu messen, verwendeten die Forscher ein piezoelektrisches Gerät – eines, das elektrische Signale in mechanische Schwingungen umwandelt –, um die Nanodrähte mit unterschiedlichen Frequenzen zu schütteln. Dann verwendeten sie ein Rasterelektronenmikroskop (REM), um die Schwingung des Drahtes zu beobachten und seine Resonanzfrequenz und seinen Q-Faktor zu berechnen. Die Q-Werte reichten von 2.700 bis 60.000 – bis zu 10-mal höher als bei früheren experimentellen nanoskaligen Resonatoren gemessen.
Die stark schwankenden Werte seien auf Einschränkungen in der REM-Messtechnik zurückzuführen, sagt Bertness. Tatsächlich änderten sich die Q-Werte bei unterschiedlichen Messungen sogar an demselben Draht. Bertness sagt, dass dies daran liegt, dass sich durch den intensiven Elektronenstrahl Kohlenstoffmoleküle in der Luft auf dem Nanodraht ablagern und seine Schwingungen dämpfen.
Hong-Tang , ein Professor für Elektrotechnik an der Yale University, der sich ebenfalls mit nanoskaligen Resonatoren beschäftigt, sieht die Ergebnisse der Forscher skeptisch. Er sagt, dass die Kombination eines piezoelektrischen Schüttelns mit einer REM-Detektion den Q-Wert künstlich anhebt. Da das REM einen eng fokussierten Elektronenstrahl verwendet, ist die Messung der Verschiebung des Drahts nicht genau, wenn der Nanodraht mehr als die Strahlfleckgröße vibriert. Tangs Vermutung ist, dass die tatsächlichen Q-Faktoren wahrscheinlich niedriger sind als die gemeldeten Werte, obwohl sie wahrscheinlich immer noch höher sind als die für siliziumbasierte Nanodrähte berichteten, die bei etwa 1.000 liegen. Er sagt, dass die Forscher andere Messmethoden anwenden müssten, um den Q-Faktor ihrer Nanodrähte zu überprüfen.
Bertness erkennt die Notwendigkeit besserer Messungen an und fügt hinzu, dass der Nanoresonator derzeit alles andere als praktikabel ist. Um in einem Mobiltelefonempfänger verwendet zu werden, muss der Nanodraht durch ein elektrisches Signal angetrieben werden, nicht durch mechanisches Schütteln. Da Galliumnitrid piezoelektrisch ist, glauben die Forscher, dass dies möglich sein sollte, sagt sie, und sie versuchen nun, diese Theorie zu beweisen.