28_Углеродные элементы и устройства (1002191), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Рис.. Внешний вид углеродных нанотрубок Y – типа.

Рис. Электрическая схема транзистора на углеродной нанотрубки Y – типа.

Пучок из углеродных нанотрубок, сформированный в виде сетки, можно использовать в качестве подвешенного затвора в нанотранзисторе.

Рис. Нанотранзистор с сеткой из нанотрубок в качестве затвора.

Нанотранзисторы можно формировать не только из созданных специально для этого углеродных нанотрубок, но и из наноразмерных переходов, полученных на углеродных дорожках – углеродных микросужениях (квазиодномерных микросужениях или мостиках).

Рис. Внешний вид и ВАХ микросужения.

Приемники с УНТ.

Нанорадио. Электромеханический резонанс. Преобразование электрических колебаний в механические требуется для создания различных устройств, например электроакустических головок. Для возбуждения колебаний нанотрубки под действием электрического поля ее закрепляют на одном из двух электродов под углом ко второму электроду. При подаче на электроды электрического напряжения трубка заряжается и за счет электростатического притяжения отклоняется ко второму электроду. Если на электроды подать переменное напряжение, частота которого совпадает с частотой собственных колебаний нанотрубки, зависящих от ее толщины и длины, возникнут механические колебания нанотрубки. Радиоволны, принимаемые нано - антенной, заставляют ее вибрировать. Это происходит только тогда, когда частота радиоволны совпадает с резонансной частотой изгибания нанотрубки - антенны. Таким образом, нанотрубка выступает еще и в роли тюнера, принимая радиоволны строго определенного набора частот.

Рис. Нанотрубочная антенна.

Нано -радио состоит из электрода, к которому прикреплена нанотрубка. На электрод от внешнего источника питания или от каскада солнечных батарей поступает постоянное напряжение, благодаря которому на конце нанотрубки создается отрицательный заряд. Таким образом, реализуется функция передатчика.

Рис. История развития радиоприемников — от макро до нано.

Свойства усиления и демодуляции происходят от специфической геометрии нанотрубки. Тонкий, как игла, конец нанотрубки при подаче на электрод постоянного напряжения генерирует электрическое поле, вызывающее ток эмиссии, а он достаточно чувствителен к механическим вибрациям нанотрубки. Так как поле генерируется внешним источником энергии, то возможно с его помощью усиление радиосигнала.

Демодуляция же возможна благодаря нелинейности процесса эмиссии поля, поэтому одна нанотрубка может и принимать, и усиливать и даже демодулировать AM/FM радиосигнал.

Использование углеродных нанотрубок в качестве компонента коротковолновой электроники привлекло внимание из-за таких характеристик нанотрубок, как высокая подвижность носителей заряда, высокая проводимость, большая длина свободного пробега (как результат согласованности). Нанотрубки могут быть применены в качестве, радиодетекторов и преобразователей частоты вплоть до 50 ГГц.

Все приложения нанотрубок используют нелинейность тока истока относительно запирающего напряжения. Среди последних достижений – использование нелинейной зависимости токов стока/истока при комнатной температуре, и создание основанного на этом эффекте демодулятора с амплитудной модуляцией с модулирующими частотами вплоть до 100 кГц – устройства, выделяющего полезный сигнал из модулированной несущей волны. Это устройство является нелинейным и биполярным, что делает его проще существующих трехполярных детекторов и преобразователей. Несмотря на то, что устройство еще требует дальнейшей доработки, оно является первым в своем роде и демонстрирует демодулирующие свойства. Демодулятор был успешно продемонстрирован в действующем АМ радиоприемнике. Здесь нанотрубки исполняют ключевую роль, функционируя как АМ демодуляторы. Передатчик при демонстрации использует генератор сигнала для создания радиосигнала частотой 1 ГГц с внешней амплитудной модуляцией (АМ), связанный с iPod’ом - источником музыки - и дипольной TX антенной беспроводного радио. RX антенна принимает радиосигнал (1 ГГц), и через мультиплексор передает его на нанотрубку, где сигнал выпрямляется. Расстояние между TX и RX антеннами ограничено 1 м, но это расстояние может быть увеличено с помощью стандартного входного усилителя для усиления полученного сигнала перед отправкой его на нанотрубку для дальнейшей демодуляции. Качество звукового сигнала, продемонстрированного нанотрубками, было настолько высоким, что человеческий слух не отличает его от чистого музыкального сигнала.

В процессе работы выяснилось, что резонансная частота вибраций нанотрубки изменяется, если вблизи работает мобильный телефон или GPS-навигатор! Так ученые узнали о том, что нанотрубку можно использовать в роли сверхчувствительной антенны.

Но из-за существенных отличий в конструкции нано-радио принцип его работы не такой, как у «больших» аналогов. «Радио» на основе нанотрубки может использоваться в современной медицине для мониторинга процессов, проходящих в кровеносной системе и даже внутри живой клетки, в медицинской наноробототехнике для слуховых имплантов. Также нано-радио будет полезным в различных системах беспроводных коммуникаций.

На нанотранзисторах можно создавать устройства с простыми схемными решениями, но с достаточно сложными функциями преобразования сигнала, например, смеситель на полевом транзисторе с подвешенным затвором. Для преобразования сигнала в этом смесителе используются нелинейные свойства полевого транзистора и нанотрубки. Если на управляющий электрод (затвор G) этого транзистора подать напряжение:

V_g = A₁cosw₁t + A₂cosw₂t,

то ток I_DS будет содержать сигналы с частотами: (w₁+w₂) и (w₁-w₂).

Рис. Смеситель на полевом транзисторе с подвешенным затвором.

В настоящее время с использованием нанокомпонентов на основе углеродных нанотрубок создаются более сложные устройства, например супергетеродинный приёмник. Блоки, использующие углеродные нанотрубки, выделены на этой схеме синим цветом, к ним относятся:

• опорный генератор на углеродных нанотрубках на 150 МГц,

• управляемый напряжением генератор, созданный на варакторе из углеродных нанотрубок на 2,4 ГГц или опорный генератор на резонаторе из углеродных нанотрубок на 2,4 ГГц,

• фильтры 150 МГц на базе сеток из нанотрубок,

• фильтр 1,8/2,4 ГГц на базе батарей конденсаторов из коммутируемых углеродных нанотрубок.

Рис. Схема супергетеродинного приёмника.

Трансивер может быть выполнен с применением УНТ. С помощью УНТ формируются полевые транзисторы, частотные и звуковые усилители, модуляторы и демодуляторы, фильтры, антенны (в том числе механо - электрические преобразователи), радиодетекторы и преобразователи частоты в диапазоне частот вплоть до 50 ГГц.

Рис. Схемы передатчика и приемника с использованием УНТ.

Электро-термо-акустический эффект. (Динамик на УНТ).

Ток, проходящий по листу, изменяет его температуру в пределах 20-80 градусов по Цельсию. Быстрые колебания температуры изменяют давление воздуха вблизи листа, что в свою очередь приводит к появлению звука. Данное явление было обнаружено более века назад Уильямом Генри Присом и Карлом Фердинандом Брауном. Эти учёные выяснили, что даже тонкую металлическую фольгу можно заставить издавать звук, просто передав через неё переменный ток (так появилось устройство под названием "термофон"). Однако ему не суждено было снискать славу телефона, так как полученный звук был слишком тихим. В то же время лист из углеродных нанотрубок звучит весьма громко.

Ключевым параметром, определяющим силу звука, является удельная теплоёмкость материала. (Удельная теплоёмкость вещества — это количество тепловой энергии, необходимой для повышения температуры одного килограмма вещества на один Кельвин.) У листа из углеродных нанотрубок она в 260 раз меньше, чем у платиновой фольги. Это означает, что первый воспроизводит звуковые волны в 260 раз эффективнее, то есть звучит значительно громче. Поверхности, сформированные из углеродных нанотрубок, могут работать как громкоговорители.

Рис. Поверхности, сформированные из углеродных нанотрубок

Рис. Гибкий громкоговоритель на флаге: размеры примерно 8 на 14,5 сантиметров (фото Jiang Kaili et al.).

Динамики на нанотрубках будут работать даже при частичном повреждении листа (так как они не колеблются). Их можно растягивать и сгибать под любую форму и размер. Кроме того, в растянутом состоянии лист прозрачен, а это означает, что его можно хоть на жидкокристаллический монитор натянуть, а он всё равно будет звучать, замещая тем самым классические динамики.

Рис. Громкоговоритель из листа углеродных нанотрубок не теряет в качестве воспроизведения музыки, даже когда растягивается в два раза от начальной длины.

Рис. Цилиндрический динамик из листа углеродных нанотрубок может распространять звук во всех направлениях (диаметр — 9, высота – 8,5 сантиметра) (фото Jiang Kaili et al.).

Фуллерены.

Фуллерены - это замкнутая сферическая структура молекулы С₆₀. Элементарный углерод способен образовывать сложные вогнутые поверхности, состоящие из пяти-, шести-, семи- и восьми - угольников. Пятиугольники формируют 30^о положительное искривление плоскости, шестиугольники (купол), семиугольники - 30^о - отрицательное искривление плоскости (внутренняя сторона “бублика”), а восьмиугольник - 60^о - отрицательное искривление плоскости (тоже внутренняя сторона “бублика”).

Рис. Два типа переменных нанорезистора – В), С), нанодрель, как пример реализации движущейся электромеханической системы – А).

Полупроводник. Кристаллические фуллерены и пленки из них представляют собой полупроводники с шириной запрещенной зоны 1.2 - 1.9 эВ и обладают фотопроводимостью при оптическом облучении.

Характеристики

Список файлов лекций