Ingeniører laver verdens mindste FM-radiosender

Et team af Columbia Engineering-forskere, ledet af Mechanical Engineering Professor James Hone og Electrical Engineering Professor Kenneth Shepard, har udnyttet grafens særlige egenskaber – dets mekaniske styrke og elektriske ledning – og skabt et nano-mekanisk system, der kan skabe FM-signaler, faktisk verdens mindste FM-radiosender. Undersøgelsen blev offentliggjort online den 17. november, i Natur nanoteknologi .

"Dette arbejde er betydningsfuldt, fordi det demonstrerer en anvendelse af grafen, der ikke kan opnås ved hjælp af konventionelle materialer, " siger Hone. "Og det er et vigtigt første skridt i at fremme trådløs signalbehandling og designe ultratynd, effektive mobiltelefoner. Vores enheder er meget mindre end nogen andre kilder til radiosignaler, og kan sættes på den samme chip, der bruges til databehandling."

grafen, et enkelt atomlag af kulstof, er det stærkeste materiale, man kender, og har også elektriske egenskaber, der er bedre end det silicium, der bruges til at fremstille de chips, der findes i moderne elektronik. Kombinationen af ​​disse egenskaber gør grafen til et ideelt materiale til nanoelektromekaniske systemer (NEMS), som er nedskalerede versioner af de mikroelektromekaniske systemer (MEMS), der anvendes i vid udstrækning til sansning af vibrationer og acceleration. For eksempel, Hone forklarer, MEMS-sensorer finder ud af, hvordan din smartphone eller tablet vippes for at dreje skærmen.

I denne nye undersøgelse, holdet udnyttede grafens mekaniske 'strækbarhed' til at indstille udgangsfrekvensen af ​​deres tilpassede oscillator, skabe en nanomekanisk version af en elektronisk komponent kendt som en spændingsstyret oscillator (VCO). Med en VCO, forklarer Hone, det er nemt at generere et frekvensmoduleret (FM) signal, præcis hvad der bruges til FM-radioudsendelser. Holdet byggede en grafen NEMS, hvis frekvens var omkring 100 megahertz, som ligger lige i midten af ​​FM-radiobåndet (87,7 til 108 MHz). De brugte lavfrekvente musikalske signaler (både rene toner og sange fra en iPhone) til at modulere 100 MHz-bæresignalet fra grafen, og hentede derefter de musikalske signaler igen ved hjælp af en almindelig FM-radiomodtager.

"Denne enhed er langt det mindste system, der kan skabe sådanne FM-signaler, " siger Hone.

Selvom grafen NEMS ikke vil blive brugt til at erstatte konventionelle radiosendere, de har mange applikationer inden for trådløs signalbehandling. Forklarer Shepard, "På grund af den kontinuerlige krympning af elektriske kredsløb kendt som 'Moores lov', nutidens mobiltelefoner har mere computerkraft end systemer, der plejede at optage hele rum. Imidlertid, nogle typer enheder, især dem, der er involveret i at skabe og behandle radiofrekvente signaler, er meget sværere at miniaturere. Disse 'off-chip' komponenter fylder meget og fylder meget. Ud over, de fleste af disse komponenter kan ikke nemt indstilles i frekvens, kræver flere kopier for at dække frekvensområdet, der bruges til trådløs kommunikation."

Graphene NEMS kan løse begge problemer:de er meget kompakte og lette at integrere med andre typer elektronik, og deres frekvens kan indstilles over et bredt område på grund af grafens enorme mekaniske styrke.

"Der er lang vej til egentlige applikationer på dette område, " bemærker Hone, "men dette arbejde er et vigtigt første skridt. Vi er glade for at have demonstreret med succes, hvordan dette vidundermateriale kan bruges til at opnå et praktisk teknologisk fremskridt - noget særligt givende for os som ingeniører."

Hone- og Shepard-grupperne arbejder nu på at forbedre ydeevnen af ​​grafenoscillatorerne for at have lavere støj. På samme tid, de forsøger også at demonstrere integration af grafen NEMS med integrerede siliciumkredsløb, gør oscillatordesignet endnu mere kompakt.