Une équipe de chercheurs de Columbia Engineering, dirigé par le professeur de génie mécanique James Hone et le professeur de génie électrique Kenneth Shepard, a tiré parti des propriétés spéciales du graphène - sa résistance mécanique et sa conduction électrique - et a créé un système nano-mécanique capable de créer des signaux FM, en fait le plus petit émetteur radio FM au monde. L'étude est publiée en ligne le 17 novembre dans Nature Nanotechnologie .
"Ce travail est significatif en ce qu'il démontre une application du graphène qui ne peut pas être réalisée avec des matériaux conventionnels, " dit Hone. " Et c'est une première étape importante dans l'avancement du traitement du signal sans fil et la conception ultrafine, téléphones portables efficaces. Nos appareils sont beaucoup plus petits que toute autre source de signaux radio, et peut être placé sur la même puce que celle utilisée pour le traitement des données."
Graphène, une seule couche atomique de carbone, est le matériau le plus résistant connu de l'homme, et possède également des propriétés électriques supérieures au silicium utilisé pour fabriquer les puces trouvées dans l'électronique moderne. La combinaison de ces propriétés fait du graphène un matériau idéal pour les systèmes nanoélectromécaniques (NEMS), qui sont des versions réduites des systèmes microélectromécaniques (MEMS) largement utilisés pour la détection des vibrations et de l'accélération. Par exemple, Hone explique, Les capteurs MEMS déterminent comment votre smartphone ou tablette est incliné pour faire pivoter l'écran.
Dans cette nouvelle étude, l'équipe a profité de la « extensibilité » mécanique du graphène pour régler la fréquence de sortie de leur oscillateur personnalisé, créer une version nanomécanique d'un composant électronique connu sous le nom d'oscillateur commandé en tension (VCO). Avec un VCO, explique Hone, il est facile de générer un signal modulé en fréquence (FM), exactement ce qui est utilisé pour la diffusion radio FM. L'équipe a construit un NEMS en graphène dont la fréquence était d'environ 100 mégahertz, qui se situe en plein milieu de la bande radio FM (87,7 à 108 MHz). Ils ont utilisé des signaux musicaux à basse fréquence (à la fois des sons purs et des chansons d'un iPhone) pour moduler le signal porteur de 100 MHz du graphène, puis récupéré à nouveau les signaux musicaux à l'aide d'un récepteur radio FM ordinaire.
"Cet appareil est de loin le plus petit système capable de créer de tels signaux FM, " dit Honé.
Alors que le graphène NEMS ne sera pas utilisé pour remplacer les émetteurs radio conventionnels, ils ont de nombreuses applications dans le traitement du signal sans fil. explique Shepard, "En raison du rétrécissement continu des circuits électriques connu sous le nom de 'loi de Moore', les téléphones portables d'aujourd'hui ont plus de puissance de calcul que les systèmes qui occupaient auparavant des pièces entières. Cependant, certains types d'appareils, en particulier ceux impliqués dans la création et le traitement des signaux radiofréquences, sont beaucoup plus difficiles à miniaturiser. Ces composants « hors puce » occupent beaucoup d'espace et d'énergie électrique. En outre, la plupart de ces composants ne peuvent pas être facilement réglés en fréquence, nécessitant plusieurs copies pour couvrir la gamme de fréquences utilisées pour la communication sans fil."
Graphene NEMS peut répondre à ces deux problèmes :ils sont très compacts et s'intègrent facilement à d'autres types d'électronique, et leur fréquence peut être réglée sur une large plage en raison de l'énorme résistance mécanique du graphène.
"Il y a un long chemin à parcourir vers des applications concrètes dans ce domaine, " note Hone, "mais ce travail est une première étape importante. Nous sommes ravis d'avoir démontré avec succès comment ce matériau merveilleux peut être utilisé pour réaliser une avancée technologique pratique, quelque chose de particulièrement gratifiant pour nous en tant qu'ingénieurs."
Les groupes Hone et Shepard travaillent maintenant sur l'amélioration des performances des oscillateurs au graphène pour réduire le bruit. À la fois, ils essaient également de démontrer l'intégration du graphène NEMS avec des circuits intégrés en silicium, rendant la conception de l'oscillateur encore plus compacte.
