专利名称：用于无线通信和无线电传输的碳纳米管的制作方法
技术领域：
本发明涉及碳纳米管，更具体地，涉及一种用作调幅(amplitude-modulated, AM) 信号的解调器的碳纳米管(carbonnanotube， CNT)。
背景技术：
因为碳纳米管的有利特性，诸如大的迁移率、高跨导和长自由程，碳纳米管作为高 频电子设备中的部件的用途获得了很大的关注。除了将碳纳米管作为高频场效应晶体管的 常见应用之外，碳纳米管的其它成功应用包括用作射频(RF)检测器和混频器。因为碳纳 米管的电学特性和非常小的尺寸，碳纳米管是实现纳米级器件的有希望的备选材料。
发明内容
本文描述了其中碳纳米管用作调幅信号的解调器的系统和方法。由于碳纳米管的 非线性电流电压(i-v)特性，碳纳米管引起对所施加的射频信号的整流，使得碳纳米管能
够用作调幅射频信号的解调器。通过适当地偏置碳纳米管，使得工作点位于i-v曲线的最
大部分的中心，可以将碳纳米管的解调效果最大化。本发明对于可能出现的纳米级无线通 信系统(例如，纳米级无线电系统)而言是有用的。 本领域技术人员在阅读以下的附图和详细描述时，本发明的其它系统、方法、特征 和优势将是明显的或者将变得明显。本说明书所包括的所有另外的系统、方法、特征和优势 都应纳入本发明的范围之内，因此也要受到所附权利要求的保护。本发明并非被限制成需 要示例实施例的细节。
通过研究附图，可以逐步地理解本发明的细节，包括制作、结构和操作，在附图中 相同的附图标记表示相同的部件。
图1示出验证根据示例性实施例的碳纳米管作为调幅解调器的用途的测试装置。
图2(a)是半导体化碳纳米管的源极漏极微分电导与栅极(衬底)电压之间关系 的曲线图。 图2(b)示出碳纳米管的电流电压(IDS_VDS)曲线。 图3(a)示出解调电流和|d2I/dV2|相对于偏置电压VB的变化的比较，表明二者之 间存在良好的匹配。 图3(b)示出锁相放大器在lOOkQ的感测电阻器上检测的线性调制电流，说明I 与VKF2成比例(f = lGHz， P = OdBm， fm。d = 13Hz)。 图4示出相对于调制频率而测量的解调电流幅度(f = lGHz， P = -5dBm， R = 100 Q ， V朋=2V)。 图5(a)示出解调信号与频率之间的关系，其中寄生电容在频率大于2GHz时将射 频信号短路。
图5(b)示出射频等效电路的示意图。 图6示出根据示例性实施例的基于碳纳米管的无线电系统。
具体实施例方式
以下公开的附加特征和教导中的每个可以被单独地使用，或者与其它特征和教导 结合使用，以便提供调幅(AM)无线电信号的碳纳米管解调器。现在将参考附图更为详细地 描述本发明的代表性例子，这些例子既单独地使用又组合地使用这些附加特征和教导中的 许多附加特征和教导。这种详细描述仅仅旨在教导本领域技术人员用于实现本发明的优选 方面的进一步的细节，而并非旨在限制本发明的范围。因此，在以下的详细描述中公开的特 征和步骤的组合在广义上并非是实施本发明所必需的，相反，只是用来进行教授以便具体 地描述本发明的代表性例子。 而且，从属权利要求和代表性例子的许多特征可以以没有具体和明显指明的方式 进行组合，以便提供本发明的附加的有益的实施例。另外，应清楚地注意到，为了提供原始 公开内容以及为了独立于实施例和/或权利要求中的特征的组成来限制所要保护的主题 内容，在说明书和/或权利要求中公开的所有特征是被彼此分离和独立地公开的。还应清 楚地注意到，为了提供原始公开内容以及为了限制所要保护的主题内容，所有的值范围或 实体组的表示公开了每个可能的中间值或中间实体。 这里提供的实施例一般地涉及碳纳米管用作调幅信号的解调器的系统和方法。提 供了验证碳纳米管作为调幅解调器的用途的实验结果，随后提供了能够解调高保真度音频 的示例性的基于碳纳米管的无线电系统。基于碳纳米管的调幅解调器表明了纳米技术在无 线领域的有用性。 进行实验来验证调频范围直至lOOKHz的基于碳纳米管的调幅解调器。图l示出 用于实验的测试装置的示意图。该装置包括待测的碳纳米管器件IO。对具有半导体化碳纳 米管的共计四个器件10进行了测试。 为了制作测试器件10，将碳纳米管形成在高电阻系数(>8000Qcm)的硅晶片上， 以便将高频端的寄生电容的不利影响最小化。使用光刻(optical lithography)，将催化剂 区域图案化到晶片上，在一个小时的超声处理后，施加lOOmM的FeCl3催化剂水溶液10秒， 并利用去离子水(DIwater)漂洗。使用CVD生长工艺来形成碳纳米管，CVD生长工艺在以 下文献中有详细描述Z. YU、S. Li、P. J. Burke发表的、题为"Synthesis ofaligned arrays of millimeter long straight single walled carbonenanotubes，，的文章，见Chem. Mater. 2004， 16 (18) ， 3414-3416 ;以及，S. Li、Z. Yu、C. Rutherglen、 P. J. Burke发表的、题为 "Electrical properties ofO. 4cm long single walled carbon nanotubes，，的文章，参 见Nano Lett. 2004， 4 (10) ， 2003-2007。在纳米管生长之后，以50 y m的缝隙间距和300 y m 的宽度将钯(20nm)/金(80nm) (Pd/Au)电极蒸发到纳米管上。在试验中只使用了具有桥接 缝隙的单个碳纳米管的样品。图1中示出了所研究的碳纳米管14中的一个的扫描电子显 微镜(SEM)图像12。为了执行高频测量，如图1所示，利用连接器件10的微带线22、24和 一对表面装配(SMA)连接器18、20，将样品器件10并入到微波底座15上。对具有半导体化 碳纳米管的全部四个器件10进行测试，并且所有的这四个器件都能够用作调幅解调器。图 2(a)示出了所研究的半导体化碳纳米管的电导与栅极电压之间关系的曲线图。
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为了确定纳米管的作为解调器的用途的具体特性，使用图1所示的测试装置。安 捷伦公司(Agilent)的具有调幅功能的E4428C型信号发生器用作射频源发射器(TX)30，通 过微型电路公司(Minicircuits)的0. l-6000MHz的直流偏置装置35进行馈送，将信号送 至样品器件10中。使用频率为0. 1-lOOkHz的正弦调制，以便以80%的调制深度来对射频 载波进行调幅(AM)。在这种装置中，碳纳米管10以及感测电阻器40和锁相放大器(SR-810 型)(图1中未示出)用作接收器(RX)。感测电阻器40上的压降被输入到锁相放大器中。 通过碳纳米管和锁相放大器来从射频载波中提取调制信号，该锁相放大器被调谐为调制频 率且用来测量信号在感测电阻器40上的压降。 由于碳纳米管的非线性电流电压(IDS_VDS)特性，碳纳米管能够解调调幅射频信 号。可以看出，这种非线性关系可以整流所施加的射频电流的一部分，其第一阶可以表示 为 其中，所施加的射频信号的电压是V『且二阶导数表示碳纳米管本身的非线性电 流电压(IDS_VDS)特性。可以看出，遵循这一关系的解调信号非常良好。将解调信号与图2(b) 所示的I-V曲线的数值二阶导数的绝对值相比，在图3(a)中可看出二者几乎是相同的形式 (支持I整流后"cPl/dV2)。此外，测量出的在检测到的输出信号与施加的射频功率(其本身 与Vj成比例)之间的比例关系成线性，表明I整流后^ Vj，如图3(b)所示。
通过将碳纳米管进行适当的偏置可以实现解调信号最大化。从图3(a)中显然可
以看出，通过对碳纳米管进行以下偏置可以获得最大的解调，所述偏置是使操作点位于i-v
曲线的最大非线性部分的中心。由于碳纳米管的固有的对称性，在士1V处存在两个这样的 操作点。测得的最大电流响应为125nA/mW且被发现与背栅电压无关。
考虑到碳纳米管电阻的量级在100kQ ，从射频的角度考虑，在碳纳米管和传输线 50 Q的特性阻抗之间存在较大的阻抗不匹配，导致从碳纳米管产生强的微波信号反射。因 为可以从源处获得的功率是P^ = V^/8Z。，且由于Z^ >> Z。所以在碳纳米管处的射频电 压是V炉利用式(l)，可以获得碳纳米管解调器的响应度I/PAVS = 2(d2I/dV2)Z。。在图5(b) 中示出用于这种分析的电路。这表明，在碳纳米管的二阶导数不变的情况下，碳纳米管的阻 值与器件的响应度无关。在二阶导数的最大测量值是4yA/mW/V2的情况下，可以达到可以 与125nA/mW的测量值相比的400nA/mW的响应度。 已发现器件在检测直至100kHz的调制信号时的效果受到实验装置的外在参数的 限制，而不是由于碳纳米管本身造成的。由于在直流偏置装置和同轴电缆内的电容与感测 电阻器结合，所以构成了 RC低通滤波器，由此造成在解调信号的较高音频频率范围中的频 率响应下降。为了最小化这一效应，感测电阻器和直流偏置装置的电容器分别被减小到 100 Q和100pF。如图4所示，测得在40kHz这种下降为_3dB转角频率(corner)，这是远超人 类听力上限的。在100kHz测量的由于直流偏置装置的电感器引起的信号损失为-1.5dB，与 其它衰减源相比这种损失是可以忽略的。如所预料的那样，在较高的载波频率(>2GHz)， 寄生电容导致接收信号的强烈衰减，如图5(a)所示。这主要是因为使用了相对较大的接触 垫(300 ii mX 1000 iim)。 对工作在lGHz的载波频率和2. 5V的偏置电压的碳纳米管解调器系统执行噪声测量。在lkHz的音频频率，测得系统电压噪声密度(包括来自锁相放大器、感测电阻器和碳 纳米管的噪声)为40X 10—9(V/Hz1/2)。使用测得的125nA/mW的响应度P工以及100kQ的 器件电阻，利用NEP二 un/p iR(W/Hz1/2)来计算噪声等效功率(noise-equivalent power, NEP)，计算得到噪声等效功率为3nW/Hz1/2。这赋予了碳纳米管本身的噪声等效功率的上限。
利用上述已经证明的效应，验证了基于碳纳米管的无线电接收器的简单设计。图 6示出了根据示例性实施例的用于碳纳米管无线电系统的测试装置108以及碳纳米管无线 电系统的示意图112。在测试装置中，碳纳米管合并到微波底座中。这里，碳纳米管110用 作接收器的调幅解调器的关键部件。示例的发射器部分利用信号发生器130来生成1GHz 的射频信号，该射频信号通过电感性电位分压器(Ipod)利用音乐进行外部调幅，并被馈送 给双极发射天线150以便无线广播。在接收器侧，接收天线152选取该1GHz的射频信号， 通过直流偏置装置135进行馈送并将其馈送至碳纳米管10上(在这里进行整流)。发射天 线150和接收天线152之间的距离被限制为大约lm，但通过简单地包括标准的前端前置放 大器以在将接收的信号发送到碳纳米管进行解调之前对接收的信号进行增压，也可以增加 该距离。使用1. 5V的电池160来适当地偏置碳纳米管110以用于最大解调。然后，差分前 置放大器162将感测电阻器140上的压降放大，并且将高保真度音频馈送至用于音频广播 的扬声器165。通过碳纳米管解调的信号的音频质量非常清晰，并且人耳无法通过听音乐 而直接地察觉该音频质量中的瑕疵。尽管针对被用音频调幅的信号演示了示例性的基于碳 纳米管的无线电系统，但基于碳纳米管的无线电系统也可以用于用其它数据(例如数字数 据)调幅的信号。 为了知道如何根据长度来优化器件性能，需要碳纳米管的I-V曲线和I-V曲线中
的非线性的定量的详细理论。尽管存在可以预测碳纳米管i-v曲线的数值模拟代码，但尚
未进行碳纳米管的非线性随长度变化的详细研究。在没有这种研究的情况下，可以基于常 规的物理原理方法进行预测，以便优化碳纳米管长度从而最大化非线性。
考虑到I-V特性中的非线性来自于声子散射过程，可以通过将这种非线性的影响 最大化来进一步优化碳纳米管解调器的响应度。 一般地，可以通过将碳纳米管的长度减少 为最优值来实现这种优化。取决于是处于低电压区域中还是处于高电压区域中，主导的散 射机制将分别是声学声子散射或光学声子散射。在这些区域中的每个的限度内，纳米管的 IDS_VDS曲线的斜率可以表示为:G = (4e7h) Xli(li+U，其中L是纳米管的长度，对于低偏 置电压区域中的声学声子散射，li等于1⑨约为300nm，对于高偏置电压区域中的光学声子 散射，li等于l。p约为15nm。非线性表现为偏置电压从一个具有一主导散射机制的区域到 另一个区域的转变，可以通过考虑多长(L)的纳米管将产生两个区域之间的I-V特性的最 大斜率差来将非线性最大化。例如，如果认为上述的平均自由程的长度一般是准确的，则当 纳米管长度约为100nm时，斜率差被最大化。如果纳米管长度进一步减小，弹道输运占主 导地位，而I-V特性中的非线性又被减少。对于长的(> lOym)的纳米管，其它散射过程 (诸如缺陷引起的弹性散射)将变得显著，这进一步使分析变得复杂。由于使用了钯(Pd) 欧姆接触，所以可以忽略通常对非线性I-V特性起作用的其它机制，诸如在接触部的肖特 基(Schottky)势垒。进一步，因为金属化碳纳米管和半导体化碳纳米管展示了所述特性， 关于縮放(scaling)问题的讨论也可以应用于这两种情况。由此，尽管所观察到非线性是 十分和缓的，但是可以通过仔细的优化得到显著的提升。
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因此，已经成功地验证和分析了碳纳米管的用来解调无线电接收器中的调幅信号 的用途。碳纳米管解调器表明使用纳米管可以将无线电接收器的关键部件(解调器)实 施为纳米级，这提供了实现真正的纳米级无线通信系统的重要步骤。 虽然本发明容许被改变成各种改型和替代方式，在附图中示出并在本申请中详细 描述了本发明的具体示例。然而，应理解本发明不限于所公开的具体形式或方法，相反，本 发明覆盖落入所附权利要求的精神和范围内的所有改型、等同或替换。
权利要求
一种对调幅信号进行解调的方法，包括将调幅信号施加到碳纳米管以产生解调信号；以及放大所述解调信号。
2. 如权利要求l的方法，进一步包括将放大的解调信号馈送至扬声器。
3. 如权利要求l的方法，进一步包括对所述碳纳米管进行电压偏置。
4. 如权利要求3的方法，其中以位于所述碳纳米管的电流电压曲线的最大非线性部分 的中心处的偏置电压来偏置所述碳纳米管。
5. 如权利要求1的方法，其中调幅是在直至100kHz的频率范围内进行的。
6. —种调幅无线电接收器，包括 天线；耦合至所述天线的调幅解调器，所述调幅解调器包括碳纳米管；以及 耦合至所述调幅解调器的放大器。
7. 如权利要求6的无线电接收器，进一步包括用于偏置所述碳纳米管的偏置电压源。
8. 如权利要求7的无线电接收器，其中所述偏置电压源以位于所述碳纳米管的电流电 压曲线的最大非线性部分的中心处的偏置电压来偏置所述碳纳米管。
9. 如权利要求6的无线电接收器，进一步包括耦合到所述放大器的输出的扬声器。
10. 如权利要求6的无线电接收器，进一步包括用于感测解调信号的、耦合到所述纳米 管的感测电阻器，其中所述放大器被配置成放大所述感测电阻器上的电压降。
全文摘要
所描述的是其中碳纳米管被用作调幅信号的解调器的系统和方法。由于碳纳米管的非线性电流电压特性，碳纳米管引起所施加的射频信号的整流，使得碳纳米管能够用作调幅射频信号的解调器。通过适当偏置碳纳米管，使得工作点位于电流电压曲线的最大部分的中心处，可以最大化碳纳米管的解调效果。本发明可以用于可能的纳米级无线通信系统，例如纳米级无线电系统。
文档编号C08K3/04GK101796117SQ200880017191
公开日2010年8月4日 申请日期2008年4月11日 优先权日2007年4月12日
发明者克里斯托弗·M·鲁特格伦, 彼得·J·布尔克 申请人:加利福尼亚大学董事会