新的纳米技术设备提供猫般的'听力'

作者:敖皂

<p>超灵敏光学询问原子薄鼓膜纳米机电谐振器(由MoS2半导体晶体的原子层组成)的运动图解凯斯西储大学的研究人员正在开发能够在更大的射频范围内接收和发射信号的原子级薄“鼓面”比我们用人耳听到的声音但鼓声是数十万亿次(10次后跟12次零),体积小,比人耳膜薄10万倍</p><p>这些进步可能有助于进行下一代超低功率通信电子工程和计算机科学副教授兼相应作者菲利普·冯(Philip Feng)在3月30日发表的一篇关于这项工作的论文中表示,感知和通信是连通世界的关键</p><p>期刊科学进展“近几十年来,我们一直在联系采用高度微型化的设备和系统,我们一直致力于为这些设备追求不断缩小的尺寸“小型化的挑战:同时实现更广泛的动态检测范围,适用于小型信号,如声音,振动和无线电波比较人类,其他动物和原子级薄鼓膜的耳膜的动态范围和频带“最后,我们需要能够处理信号的传感器,而不会丢失或损害'信号上限'(未失真信号的最高级别)的信息“尽管这项工作不适合目前市场上的特定设备,研究人员表示,它的重点是测量,限制和缩放,这对于基本上所有这些都很重要</p><p>”和“噪声基底”(最低可检测水平)传感器这些传感器可能会在未来十年内开发出来,但目前,冯和他的团队已经展示了其关键部件的能力最小尺寸的原子层鼓面或谐振器这项工作代表了它们类型的振动传感器报告的最高动态范围迄今为止,这个范围只能通过在更低频率下运行的更大的传感器来实现 - 就像人类耳膜一样,例如“我们在这里所做的是表明一些最终小型化,原子级薄的机电鼓膜谐振器可以提供非常宽的动态范围,高达~110dB,射频(RF)高达120MHz以上,”冯说“这些RF的动态范围与音频频段中人类听觉能力的宽动态范围相当“新动态标准冯表示所有感官系统的关键 - 从动物中自然发生的感觉功能到工程中的复杂设备 - 是所需的动态范围动态范围是噪声基底上信号上限之间的比率,通常以分贝(dB)为单位测量人体耳膜通常在10Hz到10kHz的范围内具有大约60到100dB的动态范围,并且我们的听力在该频率范围之外迅速降低</p><p>其他动物,例如普通家猫或白鲸(见图),可以具有相当甚至更宽的动态范围更高频段由Feng和他的团队开发的振动纳米级鼓面由半导体晶体的原子层(单层,双层,三层和四层MoS2薄片,厚度为07,14,21和28)制成直径仅约1微米的纳米)它们通过从体半导体晶体上剥离单个原子层并使用纳米加工和显微操作技术的组合将原子层悬浮在预先定义在硅晶片上的微腔上来构建它们,然后与设备进行电气接触此外,这些在Case Western Reserve测试的原子级薄RF谐振器显示出极好的频率“可调性”,这意味着它们的音调可以是人通过使用静电力拉伸鼓膜膜,类似于管弦乐队中大得多的乐器的声音调音,冯说,该研究还表明,这些令人难以置信的小鼓面只需要picoWatt(pW,10 ^ -12瓦),最高可达纳瓦级(nW,10 ^ -9瓦)RF功率水平,以维持其高频振荡 “不仅具有如此微小的体积和质量的惊人的大动态范围,它们也是节能和非常”安静“的设备,”冯说,“我们非常仔细地倾听他们并且非常轻柔地与他们”交谈“该论文的共同作者是:Jaesung Lee,Case Western Reserve博士后研究员; Max Zenghui Wang,现任中国电子科技大学(电子科技大学)研究员,中国成都; Keliang He,曾任物理学研究生,现任Nvidia高级工程师;杨瑞,曾任研究生,现为斯坦福大学博士后学者;现在康奈尔大学凯斯西储大学前物理学教授杰珊这项工作得到了美国国家工程院格兰杰基金会工程前沿奖(Grant:FOE 2013-005)和国家科学基金会职业奖( Grant:ECCS-1454570)出版物:Jaesung Lee等,“具有宽动态范围的电可调单层和少层MoS2纳米机电系统”,Science Advances,2018年3月30日:第4卷,第3期,eaao6653; DOI:....