Ett team av Columbia Engineering -forskare, ledd av professor i maskinteknik James Hone och professor i elektroteknik Kenneth Shepard, har utnyttjat grafens speciella egenskaper-dess mekaniska styrka och elektriska ledning-och skapat ett nanomekaniskt system som kan skapa FM-signaler, i själva verket världens minsta FM -radiosändare. Studien publiceras online den 17 november, i Naturnanoteknik .
"Detta arbete är viktigt genom att det visar en tillämpning av grafen som inte kan uppnås med konventionella material, "Hone säger." Och det är ett viktigt första steg för att främja trådlös signalbehandling och utforma ultratunna, effektiva mobiltelefoner. Våra enheter är mycket mindre än några andra källor till radiosignaler, och kan sättas på samma chip som används för databehandling. "
Grafen, ett enda atomlager av kol, är det starkaste material som man känner till, och har också elektriska egenskaper som är överlägsna kislet som används för att göra chipsen som finns i modern elektronik. Kombinationen av dessa egenskaper gör grafen till ett idealiskt material för nanoelektromekaniska system (NEMS), som är nedskalade versioner av mikroelektromekaniska system (MEMS) som används i stor utsträckning för avkänning av vibrationer och accelerationer. Till exempel, Hone förklarar, MEMS -sensorer räknar ut hur din smartphone eller surfplatta lutas för att rotera skärmen.
I denna nya studie, laget utnyttjade grafens mekaniska "töjbarhet" för att ställa in utmatningsfrekvensen för deras anpassade oscillator, skapa en nanomekanisk version av en elektronisk komponent som kallas en spänningsstyrd oscillator (VCO). Med en VCO, förklarar Hone, det är enkelt att generera en frekvensmodulerad (FM) signal, exakt vad som används för FM -radiosändning. Teamet byggde en grafen NEMS vars frekvens var cirka 100 megahertz, som ligger mitt i FM -radiobandet (87,7 till 108 MHz). De använde lågfrekventa musikalsignaler (både rena toner och låtar från en iPhone) för att modulera 100 MHz bärarsignal från grafen, och sedan hämtade de musikalsignalerna igen med en vanlig FM -radiomottagare.
"Den här enheten är det minsta system som kan skapa sådana FM -signaler, "säger Hone.
Medan grafen NEMS inte kommer att användas för att ersätta konventionella radiosändare, de har många applikationer inom trådlös signalbehandling. Förklarar Shepard, "På grund av den kontinuerliga krympningen av elektriska kretsar som kallas" Moores lag ", dagens mobiltelefoner har mer datorkraft än system som brukade uppta hela rum. Dock, vissa typer av enheter, särskilt de som är involverade i att skapa och bearbeta radiofrekvenssignaler, är mycket svårare att förminska. Dessa "off-chip" -komponenter tar mycket plats och elektrisk ström. Dessutom, de flesta av dessa komponenter kan inte enkelt ställas in i frekvens, kräver flera kopior för att täcka intervallet av frekvenser som används för trådlös kommunikation. "
Graphene NEMS kan hantera båda problemen:de är mycket kompakta och enkelt integrerade med andra typer av elektronik, och deras frekvens kan ställas in över ett brett intervall på grund av grafens enorma mekaniska styrka.
"Det finns en lång väg att gå mot riktiga applikationer inom detta område, "konstaterar Hone, "men detta arbete är ett viktigt första steg. Vi är glada över att framgångsrikt ha visat hur detta underbara material kan användas för att uppnå en praktisk teknisk utveckling - något som är särskilt givande för oss som ingenjörer."
Grupperna Hone och Shepard arbetar nu med att förbättra grafenoscillatorernas prestanda för att få lägre brus. På samma gång, de försöker också visa integration av grafen NEMS med kiselintegrerade kretsar, vilket gör oscillatorns design ännu mer kompakt.
