Forskare vid Case Western Reserve University utvecklar atomärt tunna "trumskinn" som kan ta emot och sända signaler över ett radiofrekvensområde som är mycket större än vad vi kan höra med det mänskliga örat.

Men trumskinnet är tiotals biljoner gånger (10 följt av 13 nollor) mindre i volym och 100, 000 gånger tunnare än den mänskliga trumhinnan.

Framstegen kommer sannolikt att bidra till att göra nästa generation av kommunikations- och sensoriska enheter med ultralåg effekt mindre och med större detektions- och inställningsintervall.

"Avkänning och kommunikation är nyckeln till en ansluten värld, sa Philip Feng, en docent i elektroteknik och datavetenskap och motsvarande författare på en artikel om arbetet publicerad 30 mars i tidskriften Vetenskapliga framsteg . "Under de senaste decennierna, vi har anslutits med mycket miniatyriserade enheter och system, och vi har strävat efter ständigt krympande storlekar för dessa enheter."

Utmaningen med miniatyrisering:Att även uppnå ett bredare dynamiskt detekteringsområde, för små signaler, som ljud, vibration, och radiovågor.

"I slutet, vi behöver transduktorer som kan hantera signaler utan att förlora eller kompromissa med information både vid "signaltaket" (den högsta nivån på en oförvrängd signal) och "bullergolvet" (den lägsta detekterbara nivån), " sa Feng.

Även om detta arbete inte var inriktat på specifika enheter som för närvarande finns på marknaden, forskare sa, det var fokuserat på mätningar, gränser och skalning som skulle vara viktigt för i stort sett alla givare.

Dessa givare kan komma att utvecklas under det kommande decenniet, men för nu, Feng och hans team har redan visat förmågan hos deras nyckelkomponenter - atomskiktets trumskinn eller resonatorer - i den minsta skala hittills.

Verket representerar det högsta rapporterade dynamiska intervallet för vibrerande givare av sin typ. Hittills, det räckvidden hade bara uppnåtts av mycket större givare som arbetade vid mycket lägre frekvenser, som den mänskliga trumhinnan, till exempel.

"Vad vi har gjort här är att visa att vissa i slutändan miniatyriserade, atomärt tunna elektromekaniska trumskinnsresonatorer kan erbjuda anmärkningsvärt brett dynamiskt omfång, upp till ~110dB, vid radiofrekvenser (RF) upp till över 120MHz, "Feng sa. "Dessa dynamiska omfång vid RF är jämförbara med det breda dynamiska området för mänsklig hörselförmåga i ljudbanden."

Ny dynamisk standard

Feng sa att nyckeln till alla sensoriska system-från naturligt förekommande sensoriska funktioner hos djur till sofistikerade enheter inom teknik-är det önskade dynamiska området.

Dynamiskt område är förhållandet mellan signaltaket över brusgolvet och mäts vanligtvis i decibel (dB).

Mänskliga trumhinnor har normalt ett dynamiskt intervall på cirka 60 till 100 dB i intervallet 10 Hz till 10 kHz, och vår hörsel minskar snabbt utanför detta frekvensområde. Andra djur, såsom den vanliga huskatten eller vitvalen (se illustrationen), kan ha jämförbara eller till och med bredare dynamiska intervall i högre frekvensband.

De vibrerande trumskinnarna i nanoskala som utvecklats av Feng och hans team är gjorda av atomlager av halvledarkristaller (enkel-, bi-, tri-, och fyra lager MoS2-flingor, med en tjocklek på 0,7, 1.4, 2.1, och 2,8 nanometer), med diametrar endast cirka 1 mikron.

De konstruerar dem genom att exfoliera individuella atomskikt från bulkhalvledarkristallen och använda en kombination av nanotillverkning och mikromanipulationstekniker för att suspendera atomskikten över mikrohåligheter som är fördefinierade på en kiselskiva, och sedan skapa elektriska kontakter till enheterna.

Ytterligare, dessa atomärt tunna RF-resonatorer som testas vid Case Western Reserve visar utmärkt frekvens-"avstämningsförmåga, " vilket betyder att deras toner kan manipuleras genom att sträcka ut trumskinnsmembranen med hjälp av elektrostatiska krafter, liknar ljudinställningen i mycket större musikinstrument i en orkester, sa Feng.

Studien avslöjar också att dessa otroligt små trumspetsar bara behöver picoWatt (pW, 10^-12 Watt) upp till nanoWatt (nW, 10^-9 Watt) nivå av RF-effekt för att upprätthålla deras högfrekventa svängningar.

"Inte bara ha ett förvånansvärt stort dynamiskt omfång med så liten volym och massa, de är också energieffektiva och mycket "tysta" enheter ", Feng sa, "Vi "lyssnar" mycket noga på dem och "pratar" med dem väldigt försiktigt."