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Un meilleur résonateur
Les chercheurs du Institut national des normes et de la technologie (NIST) et l'Université du Colorado à Boulder ont franchi une étape importante vers la fabrication de résonateurs à l'échelle nanométrique qui pourraient être utilisés dans des appareils de communication. Les chercheurs ont développé des nanofils de nitrure de gallium qui présentent des propriétés bien mieux adaptées à de telles utilisations que d'autres nanostructures de tailles similaires.
Bonnes vibrations: Des chercheurs du NIST ont développé des nanofils hexagonaux de nitrure de gallium qui ne vibrent que dans une plage de fréquences très étroite. Les nanofils pourraient remplacer les volumineux résonateurs à cristal de quartz que l'on trouve dans les téléphones portables.
Les résonateurs font partie intégrante des récepteurs radio et des téléphones portables. Généralement constitués de cristaux de quartz, ces dispositifs remplissent la fonction critique de choisir la fréquence du signal radio pertinent à partir de la cacophonie des transmissions sur les ondes. Bien que les cristaux de quartz fonctionnent extrêmement bien, ils sont volumineux. Si vous regardez les puces des téléphones portables, les résonateurs sont énormes par rapport au reste des circuits, explique Kris Bertness, chercheur au NIST, co-auteur du Lettres de physique appliquée document qui décrit le nouveau travail. Les résonateurs à cristal occupent des surfaces de millimètres carrés, tandis que l'électronique de contrôle occupe des micromètres carrés, dit-elle.
Les chercheurs ont essayé de construire des dispositifs à l'échelle micro et nanométrique pour remplacer les résonateurs à quartz. Le problème est que, comme les résonateurs diminuent en taille, ils ne fonctionnent pas aussi bien. Dans le passé, les chercheurs ont fabriqué des résonateurs en utilisant des nanocordes de silicium et des nanotubes de carbone ; les nanofils développés par l'équipe du NIST/Colorado fonctionnent au moins 10 fois mieux que n'importe lequel d'entre eux.
Les résonateurs des récepteurs radio et des téléphones portables fonctionnent en vibrant dans une bande étroite de fréquences, vibrant le plus à la fréquence centrale de la bande, appelée fréquence de résonance. Pour déterminer le bon fonctionnement d'un résonateur, les ingénieurs mesurent son facteur de qualité, ou facteur Q. Cela dépend de la largeur de cette bande de fréquence : plus elle est étroite, plus le facteur Q est élevé et mieux un résonateur filtre une fréquence radio particulière des signaux voisins. Les cristaux de quartz ont des facteurs Q élevés, allant de 10 000 à 1 000 000.
Les efforts pour construire des résonateurs plus petits à partir de nanotubes de silicium et de carbone ont été entravés par la physique simple : à mesure que les dispositifs rétrécissent, leurs facteurs Q diminuent. En effet, à l'échelle nanométrique, même les plus petites impuretés ou défauts de la surface de l'appareil affectent ses vibrations. Même les molécules de gaz collées à la surface peuvent modifier la masse de la nanostructure, amortir ses vibrations et réduire le facteur Q.
Les nouveaux nanofils de nitrure de gallium, cependant, surmontent certaines des limitations auxquelles les nanostructures sont confrontées. Bertness et ses collègues cultivent les nanofils hexagonaux sur un substrat de silicium à l'aide d'une méthode simple et bon marché compatible avec les techniques utilisées pour fabriquer des micropuces ; le remplacement des résonateurs à quartz par des nanofils développés de cette manière pourrait réduire les coûts de fabrication des téléphones portables. Les nanofils ont des diamètres compris entre 30 et 500 nanomètres et des longueurs de 5 à 20 micromètres. Les fils n'ont pas de défauts cristallins et ils ont très peu d'impuretés chimiques, dit Bertness. En conséquence, ils ont tendance à ne pas ramasser beaucoup de déchets de l'environnement et ils sont très fluides. Pour cette raison, ils vibrent de manière stable à leurs fréquences de résonance et ont des valeurs Q élevées.
Pour mesurer l'efficacité des nouveaux nanofils, les chercheurs ont utilisé un dispositif piézoélectrique, qui convertit les signaux électriques en vibrations mécaniques, pour secouer les nanofils à différentes fréquences. Ils ont ensuite utilisé un microscope électronique à balayage (MEB) pour observer la vibration du fil et calculer sa fréquence de résonance et son facteur Q. Les valeurs Q allaient de 2 700 à 60 000, jusqu'à 10 fois plus élevées que celles mesurées pour les précédents résonateurs expérimentaux à l'échelle nanométrique.
Les valeurs très variables sont le résultat des limites de la technique de mesure SEM, explique Bertness. En effet, les valeurs Q changeaient avec des mesures différentes même sur le même fil. Bertness dit que cela est dû au fait que le faisceau d'électrons intense provoque le dépôt de molécules de carbone dans l'air sur le nanofil, amortissant ses vibrations.
Hong Tang , professeur d'électrotechnique à l'université de Yale, qui travaille également sur des résonateurs à l'échelle nanométrique, est sceptique quant aux résultats des chercheurs. Il dit que combiner une secousse piézoélectrique avec une détection SEM augmente artificiellement la valeur Q. Parce que le SEM utilise un faisceau d'électrons étroitement focalisé, dit-il, si le nanofil vibre plus que la taille du spot du faisceau, la mesure du déplacement du fil n'est pas précise. L'hypothèse de Tang est que les facteurs Q réels sont probablement inférieurs aux valeurs rapportées, bien qu'ils soient toujours probablement supérieurs à ceux rapportés pour les nanofils à base de silicium, qui ont été d'environ 1 000. Il dit que les chercheurs devraient utiliser d'autres méthodes de mesure pour vérifier les facteurs Q de leurs nanofils.
Bertness reconnaît la nécessité de meilleures mesures, ajoutant que le nano résonateur est loin d'être pratique pour le moment. Pour être utilisé dans un récepteur de téléphone portable, le nanofil devra être entraîné par un signal électrique et non par une secousse mécanique. Parce que le nitrure de gallium est piézoélectrique, les chercheurs pensent que cela devrait être possible, dit-elle, et ils essaient maintenant de prouver cette théorie.