纳米科学:纳米线谐振器可用于小型化节能电子

2019-07-02 14:23

适合我们口袋的电脑,不比门厚的电视屏幕,以及比乘客稍微大一点的汽车,技术不断变小。这种小型化的一个主要原因是纳米尺寸谐振器的发展,其将高水平的电功率转换成高频下的机械振荡。

“纳米机电谐振器用于各种现代技术。你可能看不到它们,但它们可以在机器人,医疗工具和环境传感器中找到,”大阪大学教授Hidezaku Tanaka说,他正在开发新的纳米技术。

今年早些时候,田中和他的研究团队报告了一种独立的纳米线,可以将纳米谐振器的功率需求降低一百倍。

“过渡金属经历了绝缘体到金属的转变。我们制造了由二氧化钒(VO2)制成的独立纳米线,在低功率下具有高性能。”

通过向VO2晶体注入电能可以发生相变。由于对功率的机械响应是非线性的,田中表明前所未有的低功率水平可用于产生不成比例的强机械响应。田中发现电线的独立特性是关键,否则非线性因此能效要小得多。

“建造独立的纳米线并不容易。金属氧化物非常坚硬和易碎。我们可以通过在氧化镁(MgO)上生长纳米线然后将MgO层蚀刻掉来制造纳米线。”

Tanaka集团的合作团队,意大利的DanieleMarré教授和荷兰的Nicola Manca博士在他的最新出版物中确定了使用他的VO2独立式纳米线构建纳米谐振器的简单程度。由于VO2晶体的电子机械特性和他的独立设计,纳米线只能使用简单的直流电源在MHz频率下产生机械振荡。这种将电能有效地转换为机械功的工作减少了对专用电子设备的需求,从而能够创建比目前使用的更小的纳米机电系统(NEMS)。

纳米线依赖于由VO2中的相变引起的电信号中的自发振荡。这些电振荡导致VO2纳米线也振荡,但非线性机电耦合意味着纳米级的功率可以在MHz频率下产生VO2振荡。该团队表明,晶体振荡的额外能量来自电力引起的热量。

“我们设计了我们的设计,使得焦耳效应局限于暴露的VO2间隙。我们发现机械响应的能量来源主要是热耗散,而不是电力,”Tanaka说。

“我们的系统简单且可扩展。它开启了实现快速切换并由直流电源供电的NEMS的可能性。”

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