CN101143707A - 一种超高频纳米振荡器 - Google Patents
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Abstract
一种超高频纳米振荡器，属纳米振荡器，该振荡器由碳纳米管(1)固定端固定连接于电源正极，碳纳米管(1)自由端接近于电源负极相连的负电极(3)，其间隙为碳纳米管长度的10％以内。当正负极间施加电压时，碳纳米管自由端与负电极之间产生强电场引起碳纳米管的电致伸长，可达10％，使碳纳米管与负电极之间的间隙减小直至产生隧穿电流。此时，其间的电场强度因电流导通而消失，碳纳米管在弹性应变能作用下缩回，其与负电极间距增大，隧穿电流消失，电场随之增强，碳纳米管又电致伸长。碳纳米管交替经历电致伸长和弹性收缩，其频率随碳纳米管长度减小而升高，在纳米尺度的长度范围内，可达上百GHz到数THz。结构简单，可实现THz可控振荡。
Description
技术领域
本发明涉及的是在纳米尺度基于碳纳米管高频振荡特性、电致变形原理和遂穿电流对碳纳米管微小轴向振荡引起的间隙变化的高度敏感性而设计的超高频纳米振荡器。
背景技术
在过去十多年中，碳纳米管制备技术已经高度发展。由于碳纳米管的尺寸特征和优异的机械和电子性能，研究人员设计出了众多基于碳纳米管的纳米器件如原子力显微镜探针、场发射平板显示器、GHz机械振荡器、GHz开关和双稳态存储器等。申请者发现了碳纳米管高达约10％的轴向巨电致伸缩效应。本发明基于碳纳米管在电场中的轴向电致变形、以及它超高的轴向振荡本征频率特性和量子隧穿效应设计出了一种工作频率可控并且高达THz的纳米器件：高频纳米振荡器。
发明内容
本发明的目的在于利用碳纳米管的特殊电致变形能力提供一种结构简单的可控超高频纳米振荡器。本发明的超高频纳米振荡器包括碳纳米管、正电极、负电极和电源。其中碳纳米管的固定端与正电极相连，碳纳米管的自由端与负电极之间存在纳米级间隙，电源的正极连于正电极，电源的负极连于负电极。所述的碳纳米管的自由端与负电极之间的纳米级间隙控制在碳纳米管长度的10％以内，其量值与频率要求和设计的使用电压有关。一种阵列式超高频纳米振荡器，是将碳纳米管排成行列式的阵列结构，排成行的每个碳纳米管的固定端均固定在同一块正电极板上，接电源正极，每个碳纳米管的自由端与负电极之间保持纳米级间隙，各个负电极相互并联后接电源负极；排成列的每个碳纳米管的固定端固定在正电极上，各个正电极相互并联后接电源正极，每个碳纳米管的自由端与一块负电极板保持纳米级间隙，此负电极接电源负极。通过给两个电极间施加电压，在碳纳米管和电极间的间隙产生强的电场，致使碳纳米管因电致伸长和由此导致的隧穿电流和电场强度变化而产生THz范围的电控机电振荡。振荡器的频率主要由碳纳米管长度决定，可实现上百GHz到数十THz间的振荡。有望用于THz信号技术、纳米机电系统等领域。
附图说明
图1为超高频纳米振荡器示意图。标号名称为：1、碳纳米管，2、正电极，3、负电极。
图2为超高频纳米振荡器工作原理图。
图3为阵列式超高频纳米振荡器主视图。
图4为阵列式超高频纳米振荡器俯视图。
具体实施方式
图1是本发明的超高频纳米振荡器示意图，其中碳纳米管1可以直接生长于正电极2，或用物理或化学方法连接到正电极2上。碳纳米管1的自由端与电极3的间距控制是关键环节，可以由高精度的位移控制实现，如原子力显微镜探针技术，也可以用化学模板定位和加工方法控制。正电极2和负电极3之间需要简单的电路提供工作电压。
图2为超高频纳米振荡器工作原理图。(a)碳纳米管1未加外电场时，没有形变产生，无隧穿电流产生；(b)碳纳米管1加上外加电场初，没有形变产生，无隧穿电流产生；(c)由于外电场作用，碳纳米管1端部产生电场增强效应，其与负电极3间产生强的电场，在强电场和注入电荷作用下碳纳米管1将产生电致伸长，在与负电极3近接触的纳米间距内产生强的隧穿电流；(d)碳纳米管1在外电场下导致电致伸长达到最大时，电流达到最大值，间隙间的电压变为最小；(e)由于间隙间的电场力骤降，碳纳米管内集聚的电荷释放，碳纳米管1将回弹，在与负电极3近接触的纳米间距内产生的隧穿电流使得电流继续维持一小量；(f)碳纳米管1缩回至原位，无隧穿电流产生，电流变为最小。以后不断在应变力、电场力、和电荷注入作用下，超高频纳米振荡器需要经历(b)--(c)--(d)---(e)--(f)--(b)的循环过程，产生持续的超高频电机可控振荡。
图3和图4是阵列式超高频纳米振荡器示意图。这种阵列式超高频纳米振荡器是将碳纳米管排成行列式结构，如图3所示，将碳纳米管排成行，每个碳纳米管的固定端均固定在同一块正电极板上，正电极板与电源正极相连，每个碳纳米管的自由端各自与负电极相连；如图4所示，又将碳纳米管排成列与图3所示的行构成阵列式结构，排成列的每个碳纳米管的固定端各自固定在一块正电极上，所有正电极相互并联后与电源正极相连，每个碳纳米管的自由端均与一块负电极板保持纳米级间隙，这块负电极板与电源负极相连。阵列式超高频纳米振荡器的设计是为了实现超高频纳米振荡器输出信号放大。实现高功率输出可用于THz信号技术、纳米机电系统等领域。
Claims (3)
1.一种超高频纳米振荡器，其特征在于，包括碳纳米管(1)、正电极(2)、负电极(3)和电源。其中碳纳米管(1)的固定端与正电极(2)相连，碳纳米管(1)的自由端与负电极(3)之间存在纳米级间隙，电源的正极连于正电极(2)，电源的负极连于负电极(3)。
2.根据权利要求1所述的超高频纳米振荡器，其特征在于，碳纳米管(1)自由端与负电极(3)之间的纳米级间隙为碳纳米管长度的10％以内，其量值与频率要求和设计的使用电压有关。
3.一种阵列式超高频纳米振荡器，其特征在于，将碳纳米管排列成行列式的阵列结构，排成行的每个碳纳米管的固定端均固定在同一块正电极板上，接电源正极，每个碳纳米管的自由端与负电极之间保持纳米级间隙，各个负电极相互并联后接电源负极；排成列的每个碳纳米管的固定端固定在正电极上，各个正电极相互并联后接电源正极，每个碳纳米管的自由端与一块负电极板保持纳米级间隙，此负电极接电源负极。
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