Een team van Columbia Engineering-onderzoekers, onder leiding van professor werktuigbouwkunde James Hone en professor elektrotechniek Kenneth Shepard, heeft geprofiteerd van de speciale eigenschappen van grafeen - de mechanische sterkte en elektrische geleiding - en een nano-mechanisch systeem gecreëerd dat FM-signalen kan creëren, in feite 's werelds kleinste FM-radiozender. De studie is online gepubliceerd op 17 november, in Natuur Nanotechnologie .

"Dit werk is belangrijk omdat het een toepassing van grafeen demonstreert die niet kan worden bereikt met conventionele materialen, ", zegt Hone. "En het is een belangrijke eerste stap in het bevorderen van draadloze signaalverwerking en het ontwerpen van ultradunne, efficiënte mobiele telefoons. Onze apparaten zijn veel kleiner dan alle andere bronnen van radiosignalen, en kan op dezelfde chip worden geplaatst die wordt gebruikt voor gegevensverwerking."

grafeen, een enkele atomaire laag koolstof, is het sterkste materiaal dat de mens kent, en heeft ook elektrische eigenschappen die superieur zijn aan het silicium dat wordt gebruikt om de chips te maken die in moderne elektronica worden aangetroffen. De combinatie van deze eigenschappen maakt grafeen een ideaal materiaal voor nano-elektromechanische systemen (NEMS), dit zijn verkleinde versies van de micro-elektromechanische systemen (MEMS) die veel worden gebruikt voor het waarnemen van trillingen en versnelling. Bijvoorbeeld, Hone legt uit, MEMS-sensoren berekenen hoe uw smartphone of tablet wordt gekanteld om het scherm te draaien.

In deze nieuwe studie het team profiteerde van de mechanische 'rekbaarheid' van grafeen om de uitgangsfrequentie van hun aangepaste oscillator af te stemmen, het creëren van een nanomechanische versie van een elektronische component die bekend staat als een spanningsgestuurde oscillator (VCO). Met een VCO, legt Honing uit, het is eenvoudig om een ​​frequentiegemoduleerd (FM) signaal te genereren, precies wat wordt gebruikt voor FM-radio-uitzendingen. Het team bouwde een grafeen NEMS met een frequentie van ongeveer 100 megahertz, die precies in het midden van de FM-radioband ligt (87,7 tot 108 MHz). Ze gebruikten laagfrequente muzieksignalen (zowel pure tonen als liedjes van een iPhone) om het 100 MHz-draaggolfsignaal van het grafeen te moduleren, en haalde vervolgens de muzieksignalen weer op met een gewone FM-radio-ontvanger.

"Dit apparaat is verreweg het kleinste systeem dat dergelijke FM-signalen kan creëren, " zegt Honing.

Hoewel grafeen NEMS niet zal worden gebruikt om conventionele radiozenders te vervangen, ze hebben veel toepassingen in draadloze signaalverwerking. legt Shepard uit, "Als gevolg van de voortdurende krimp van elektrische circuits, bekend als de 'Wet van Moore', de mobiele telefoons van tegenwoordig hebben meer rekenkracht dan systemen die vroeger hele kamers in beslag namen. Echter, sommige soorten apparaten, met name degenen die betrokken zijn bij het creëren en verwerken van radiofrequentiesignalen, zijn veel moeilijker te verkleinen. Deze 'off-chip' componenten nemen veel ruimte en stroom in beslag. In aanvulling, de meeste van deze componenten kunnen niet gemakkelijk in frequentie worden afgestemd, meerdere exemplaren nodig hebben om het frequentiebereik te dekken dat wordt gebruikt voor draadloze communicatie."

Grafeen NEMS kan beide problemen aanpakken:ze zijn zeer compact en gemakkelijk te integreren met andere soorten elektronica, en hun frequentie kan over een breed bereik worden afgestemd vanwege de enorme mechanische sterkte van grafeen.

"Er is nog een lange weg te gaan naar daadwerkelijke toepassingen op dit gebied, " merkt Hone op, "maar dit werk is een belangrijke eerste stap. We zijn verheugd dat we met succes hebben aangetoond hoe dit wondermateriaal kan worden gebruikt om een ​​praktische technologische vooruitgang te bereiken - iets wat ons als ingenieurs bijzonder lonend is."

De Hone- en Shepard-groepen werken nu aan het verbeteren van de prestaties van de grafeenoscillatoren om minder ruis te hebben. Tegelijkertijd, ze proberen ook de integratie van grafeen NEMS met geïntegreerde siliciumcircuits aan te tonen, waardoor het ontwerp van de oscillator nog compacter wordt.