世界上最小的收音機:碳奈米管

Original publish date:Nov 10, 2007

編輯 Keelungman 報導

 

只要一根碳奈米管 (CNT),就可以把所有收音機的零件都做上去,包含:天線、可調頻濾波器、放大器,以及解調變器。實驗證實它可以工作,而你只需要一個電池來驅動它。

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奈米無線電塔。取自實驗中 CNT 收音機的 TEM 圖像,其中的波紋為附加的視覺效果。(c) 2007,Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory and University of California at Berkeley.

這裡先簡單說明收音機的工作原理:廣播電台利用調變將聲頻訊號(約數千赫茲)加入載波(約數百萬赫茲)中,利用無線電送出,所以一台收音機需要天線接收無線電訊號,然後通過調頻濾波器過濾出特定載波波段的訊號,接著放大訊號,最後將聲頻訊號從載波訊號中解調變出來,送到喇叭。然而加州柏克萊大學的研究團隊,發現一根碳奈米管同時也可以滿足天線、可調頻濾波器、放大器,以及解調變器四項功能。他們將 CNT 接在負極上,通以直流偏壓,然後把 CNT 的場發射電流訊號通往喇叭,就可以從喇叭中聽到無線電訊號中的聲頻,濾波的波段可以利用偏壓大小控制。

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收音機的演進與尺寸的比較。(c) 2007,Courtesy Zettl Research Group, Lawrence Berkeley National Laboratory and University of California at Berkeley.

為什麼一根 CNT 可以同時辦到這麼多事?當 CNT 接在負極上通以偏壓時,上面會帶有電荷,這會使得 CNT 可受外來無線電影響產生共振。CNT 的共振頻率大致上取決於管長,長度越長共振頻率越低。而共振頻率的微調可以用外加偏壓來控制,偏壓越大則共振頻率會越高,這是因為靜電累積在 CNT 上所產生的張力所致。數百奈米長,管徑十奈米的 CNT 的共振頻率約在一百到三百萬赫茲,涵蓋一般商用 FM 無線電頻。濾波的頻寬取決於 CNT 共振的 Q 值,此值大約 500 左右。無線電訊號的放大與解調變,是利用 CNT 的場發射電流特性,外加偏壓提供 CNT 一定的場發射電流,而 CNT 的共振振幅會改變場發射電流的強弱,有解調變的功能。所以場發射電流訊號即為經由放大並解調變之後的聲頻訊號。放大的倍率一般可到 50db。

他們在實驗時,用無線電傳送沙灘男孩的歌曲 “Good Vibrations",用 CNT 收音機接收訊號,並同時從 TEM 即時紀錄 CNT 的共振行為。他們發現到當收音機頻率調對時,CNT 明顯振動,同時喇叭也傳出清晰的歌曲。從下面的相關聯結,大家可以欣賞 CNT 收音機的表現。

 

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