Onderzoekers van Case Western Reserve University ontwikkelen atomair dunne "drumkoppen" die signalen kunnen ontvangen en verzenden over een radiofrequentiebereik dat veel groter is dan wat we met het menselijk oor kunnen horen.

Maar het drumvel is tientallen biljoenen keer (10 gevolgd door 13 nullen) kleiner in volume en 100, 000 keer dunner dan het menselijk trommelvlies.

De vooruitgang zal er waarschijnlijk toe bijdragen dat de volgende generatie ultra-low-power communicatie- en sensorische apparaten kleiner wordt en met een groter detectie- en afstemmingsbereik.

"Sensing en communicatie zijn de sleutel tot een verbonden wereld, " zei Philip Feng, een universitair hoofddocent elektrotechniek en informatica en corresponderende auteur van een paper over het werk dat op 30 maart in het tijdschrift is gepubliceerd wetenschappelijke vooruitgang . "In de afgelopen decennia, we zijn verbonden met sterk geminiaturiseerde apparaten en systemen, en we streven naar steeds kleiner wordende maten voor die apparaten."

De uitdaging bij miniaturisatie:Ook het bereiken van een breder dynamisch detectiebereik, voor kleine signalen, zoals geluid, trillingen, en radiogolven.

"Uiteindelijk, we hebben transducers nodig die signalen kunnen verwerken zonder informatie te verliezen of in gevaar te brengen op zowel het 'signaalplafond' (het hoogste niveau van een onvervormd signaal) als de 'ruisvloer' (het laagste detecteerbare niveau), ' zei Feng.

Hoewel dit werk niet was gericht op specifieke apparaten die momenteel op de markt zijn, onderzoekers zeiden, het was gericht op metingen, limieten en schaling die belangrijk zouden zijn voor in wezen alle transducers.

Die transducers kunnen in de komende tien jaar worden ontwikkeld, maar voor nu, Feng en zijn team hebben het vermogen van hun belangrijkste componenten - de atomaire laag drumvellen of resonatoren - al op de kleinste schaal tot nu toe aangetoond.

Het werk vertegenwoordigt het hoogst gerapporteerde dynamische bereik voor vibrerende transducers van hun type. Daten, dat bereik was alleen bereikt door veel grotere transducers die op veel lagere frequenties werkten, zoals het menselijk trommelvlies, bijvoorbeeld.

"Wat we hier hebben gedaan, is laten zien dat sommigen uiteindelijk geminiaturiseerde, atomair dunne elektromechanische drumvelresonatoren kunnen een opmerkelijk breed dynamisch bereik bieden, tot ~110dB, bij radiofrequenties (RF) tot meer dan 120 MHz, " zei Feng. "Deze dynamische bereiken bij RF zijn vergelijkbaar met het brede dynamische bereik van het menselijk gehoor in de audiobanden."

Nieuwe dynamische standaard

Feng zei dat de sleutel tot alle sensorische systemen - van natuurlijk voorkomende sensorische functies bij dieren tot geavanceerde apparaten in de techniek - dat gewenste dynamische bereik is.

Dynamisch bereik is de verhouding tussen het signaalplafond over de ruisvloer en wordt meestal gemeten in decibel (dB).

Menselijke trommelvliezen hebben normaal gesproken een dynamisch bereik van ongeveer 60 tot 100 dB in het bereik van 10 Hz tot 10 kHz, en ons gehoor neemt snel af buiten dit frequentiebereik. Andere dieren, zoals de gewone huiskat of beluga walvis (zie afbeelding), kunnen vergelijkbare of zelfs grotere dynamische bereiken hebben in hogere frequentiebanden.

De vibrerende drumvellen op nanoschaal die door Feng en zijn team zijn ontwikkeld, zijn gemaakt van atomaire lagen van halfgeleiderkristallen (enkel-, bi-, drie-, en vierlaagse MoS2-vlokken, met een dikte van 0,7, 1.4, 2.1, en 2,8 nanometer), met een diameter van slechts ongeveer 1 micron.

Ze construeren ze door afzonderlijke atomaire lagen van het bulkhalfgeleiderkristal te exfoliëren en een combinatie van nanofabricage- en micromanipulatietechnieken te gebruiken om de atomaire lagen op te hangen over microholtes die vooraf zijn gedefinieerd op een siliciumwafel, en vervolgens elektrische contacten maken met de apparaten.

Verder, deze atomair dunne RF-resonatoren die worden getest bij Case Western Reserve, vertonen een uitstekende frequentie-afstembaarheid, " wat betekent dat hun tonen kunnen worden gemanipuleerd door de drumvelmembranen uit te rekken met behulp van elektrostatische krachten, vergelijkbaar met de klankafstemming in veel grotere muziekinstrumenten in een orkest, zei Feng.

De studie laat ook zien dat deze ongelooflijk kleine drumvellen slechts picoWatt (pW, 10^-12 Watt) tot nanoWatt (nW, 10^-9 Watt) niveau van RF-vermogen om hun hoogfrequente oscillaties te ondersteunen.

"Niet alleen met een verrassend groot dynamisch bereik met zo'n klein volume en massa, het zijn ook energiezuinige en zeer 'stille' apparaten", Feng zei, "We 'luisteren' heel aandachtig naar ze en 'praten' heel zachtjes met ze."