Grafenbaserede nano-antenner kan muliggøre netværk af små maskiner

(Phys.org) —Netværk af maskiner i nanometer-skala tilbyder spændende potentielle anvendelser inden for medicin, industri, miljøbeskyttelse og forsvar, men indtil nu har der været et meget lille problem:den begrænsede evne til nanoskala -antenner fremstillet af traditionelle metalliske komponenter.

Med antenner fremstillet af konventionelle materialer som kobber, kommunikation mellem lav-effekt nanomaskiner ville være praktisk talt umulig. Men ved at drage fordel af de unikke elektroniske egenskaber ved materialet kendt som grafen, forskere mener nu, at de er på vej til at forbinde enheder, der drives af små mængder fjernet energi.

Baseret på et bikage netværk af kulstofatomer, grafen kunne generere en form for elektronisk overfladebølge, der ville tillade antenner kun en mikron lang og 10 til 11 nanometer bred at udføre arbejdet med meget større antenner. Selvom drift af grafen-nano-antenner endnu ikke er påvist, forskerne siger, at deres modellering og simuleringer viser, at nano-netværk, der bruger den nye tilgang, er mulige med det alternative materiale.

"Vi udnytter den særegne spredning af elektroner i grafen til at lave en meget lille antenne, der kan udstråle ved meget lavere frekvenser end klassiske metalliske antenner af samme størrelse, "sagde Ian Akyildiz, en Ken Byers formandsprofessor i telekommunikation på School of Electrical and Computer Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Vi mener, at dette kun er begyndelsen på et nyt netværks- og kommunikationsparadigme baseret på brugen af ​​grafen."

Sponsoreret af National Science Foundation, forskningen er planlagt til at blive rapporteret i tidsskriftet IEEE Journal of Selected Areas in Communications ( IEEE JSAC ). Ud over nanoskalaantenner, forskerne arbejder også på grafenbaserede nanoskala transceivere og de transmissionsprotokoller, der ville være nødvendige for kommunikation mellem nanomaskiner.

Kommunikationsudfordringen er, at i mikronskalaen metalliske antenner skulle operere ved frekvenser på hundredvis af terahertz. Selvom disse frekvenser kan tilbyde fordele i kommunikationshastighed, deres rækkevidde ville være begrænset af formeringstab til blot et par mikrometer. Og de ville kræve masser af strøm - mere strøm end nanomaskiner sandsynligvis vil have.

Akyildiz har studeret nanonetworks siden slutningen af ​​1990'erne, og havde konkluderet, at traditionel elektromagnetisk kommunikation mellem disse maskiner muligvis ikke var mulig. Men så han og hans ph.d. studerende, Josep Jornet - der blev uddannet i august 2013 og nu er adjunkt ved State University of New York i Buffalo - begyndte at læse om de fantastiske egenskaber ved grafen. De var især interesserede i, hvordan elektroner opfører sig i enkeltlagsark af materialet.

"Når elektroner i grafen exciteres af en indkommende elektromagnetisk bølge, for eksempel, de begynder at bevæge sig frem og tilbage, "forklarede Akyildiz." På grund af grafens unikke egenskaber, denne globale svingning af elektrisk ladning resulterer i en begrænset elektromagnetisk bølge oven på grafenlaget. "

Teknisk kendt som en overfladeplasmon polariton (SPP) bølge, effekten vil gøre det muligt for nano-antennerne at fungere i den lave ende af terahertz-frekvensområdet, mellem 0,1 og 10 terahertz - i stedet for ved 150 terahertz krævet af traditionelle kobberantenner i nanoskala størrelser. Til transmission, SPP -bølgerne kan skabes ved at injicere elektroner i det dielektriske lag under grafenarket.

Materialer som guld, sølv og andre ædelmetaller kan også understøtte spredning af SPP -bølger, men kun ved meget højere frekvenser end grafen. Konventionelle materialer som kobber understøtter ikke bølgerne.

Ved at tillade elektromagnetisk udbredelse ved lavere terahertz -frekvenser, SPP -bølgerne kræver mindre strøm - hvilket sætter dem inden for rækkevidde af, hvad der kan lade sig gøre for nanomaskiner, der drives af energihøstteknologi, der blev udviklet af Zhong Lin Wang, en professor i Georgia Tech's School of Materials Science and Engineering.

"Med denne antenne, vi kan reducere frekvensen med to størrelsesordener og reducere strømbehovet med fire størrelsesordener, "sagde Jornet." Ved hjælp af denne antenne, vi mener, at energihøstteknikkerne udviklet af Dr. Wang ville give os nok kraft til at skabe en kommunikationsforbindelse mellem nanomaskiner. "

Nanomaskinerne i netværket, som Akyildiz og Jornet forestiller sig, vil omfatte flere integrerede komponenter. Ud over de energi-høstende nanogeneratorer, der ville være nanoskala sensing, behandling og hukommelse, teknologier, der er under udvikling af andre grupper. Det nanoskala -antenne- og transceiverarbejde, der udføres på Georgia Tech, ville gøre det muligt for enhederne at kommunikere de oplysninger, de registrerer og behandler til omverdenen.

"Hver af disse komponenter ville have en nanoskala -måling, men i alt ville vi have en maskine, der måler et par mikrometer, "sagde Jornet." Der ville være masser af afvejninger i energiforbrug og størrelse. "

Udover at give nanomaskiner mulighed for at kommunikere, hundredvis eller tusinder af grafen-antenne-transceiversæt kan kombineres for at hjælpe mobiltelefoner i fuld størrelse og internetforbundne bærbare computere med at kommunikere hurtigere.

"Terahertz -båndet kan øge nuværende datahastigheder i trådløse netværk med mere end to størrelsesordener, "Akyildiz bemærkede." Datahastighederne i nuværende mobilsystemer er op til en gigabit per sekund i LTE avancerede netværk eller 10 gigabit per sekund i den såkaldte millimeterbølge eller 60 gigahertz systemer. Vi forventer datahastigheder i størrelsesordenen terabit pr. Sekund i terahertz-båndet. "

Grafens unikke egenskaber, Akyildiz siger, er afgørende for denne antenne - og andre fremtidige elektroniske enheder.

"Graphene er et meget kraftigt nanomateriale, der vil dominere vores liv i det næste halve århundrede, "sagde han." Det europæiske samfund vil støtte et meget stort konsortium, der involverer mange universiteter og virksomheder med en investering på en milliard euro til at forske i dette materiale. "

Forskerne har hidtil evalueret adskillige nano-antennedesign ved hjælp af modellerings- og simuleringsteknikker i deres laboratorium. Det næste trin vil være at faktisk fremstille en grafen-nano-antenne og betjene den ved hjælp af en transceiver også baseret på grafen.

"Vores projekt viser, at konceptet med grafenbaserede nano-antenner er muligt, især når der tages højde for meget nøjagtige modeller for elektrontransport i grafen, "sagde Akyildiz." Mange udfordringer er åbne, men dette er et første skridt mod at skabe avancerede nanomaskiner med mange anvendelser inden for biomedicinsk, miljø, industrielle og militære områder. "