کاربرد گرافن در آنتن ها: فرصت ها و چالش ها از مایکروویو تا تراهرتز

چکیده :

استفاده از گرافن برای آنتن‌ها و سایر وسایل الکترومغناطیسی می‌تواند مزایای بسیاری همچون کوچک سازی زیاد ، ادغام یکپارچه با نانوالکترونیک گرافن RF، تنظیم پویای کارآمد و حتی شفافیت و انعطاف پذیری مکانیکی را داشته باشد . اگرچه کارهای تئوریکی و نظری بسیار متفاوتی در این حوزه انجام شده است اما کاربردهای بسیار کمی پیشنهاد شده و  در واقعیت مورد  ارزیابی قرار گرفته است . در این مقاله در مورد خواص گرافن و کاربردهای تجربی و تئوری آن صحبت خواهیم کرد . سپس در مورد تعدادی از کاربردهای بالقوه  آنتن از مایکروویو تا  تراهرتزبحث خواهیم کرد  و ارزیابی های ضروری در هر کدام را به همراه مزایا، محدودیت ها و مسائل مربوط  به آن در کاربردهای واقعی را بیان میکنیم. در این جا  خلاصه ای از دستگاه‌های مختلف و توسعه‌های مرتبط با آن  که شامل آنتن های گرافنی و آرایه های انعکاسی در مایکروویو و تراهرتز،سوئیچ های پلاسمونیک و متاسطوح همسانگرد و ناهمسانگرد است را  فراهم می کنیم .

کلمات کلیدی : آنتن، ناهمسانگردی، گرافن ، مایکروویو، تراهرتز ، سوئیچ،سطح فرکانس انتخابی، متاسطوح، چرخش فارادی ، پلاسمونیک ، آرایه ی انعکاسی، قانون بازتابی اسنل.

1.مقدمه:

اخیرا گرافن به خاطر خواص مکانیکی و الکتریکی استثنایی خود ، علاقه مندی های فوق العاده ای  را درحوزه های  مختلف پژوهشی به خود جلب کرده است . ساختار پیوندی منحصر به فرد آن  در نانو الکترونیک برای دستیابی به دستگاههای پرسرعتی همچون ترانزیستورهای اثر میدانی و افزاینده ی فرکانس به خوبی مورد استفاده قرار گرفته است . با این وجود استفاده از گرافن در دستگاه های هدایت غیر فعال و آنتن از مایکروویو  تا تراهرتز به مراتب کمتر مورد بهره برداری قرار گرفته است. این موضوع عمدتا  به این خاطر است که چنین ساختارهایی نیازمند  اندازه ی الکتریکی سفارشی از طول موج خاصی هستند در حالیکه در نمونه های گرافنی این مقدار بسیار کوچک تر است . با اینحال، رسوب بخار شیمایی گرافن (CVD ) هم اکنون به دانشمندان اجازه می دهد نمونه های چند سانتی متری را نیز بدست آورند. این موضوع منجر  به افزایش علاقه در تحقیق و پژوهش بر روی دستگاههای غیر فعال در چنین فرکانسهایی شده است. توضیح در مورد  فیزیک ساختاری منحصر به فرد گرافن فراتر از محدوده ی این مقاله است اما می توانید ار مراجع و منابع مختلف اطلاعات مورد نیاز خود را در این مورد پیدا کنید . برای هدف ما، بحث مختصر در مورد  کاربردهای گرافن در الکترومغناطیس کافی خواهد بود . از آنجا که گرافن  یک لایه ی تک اتمی است ، می توان آن را توسط تانسور هدایت سطحی شکل داد .

این تانسور هدایتی به ساختار باندی منحصر به فرد گرافن و تعدادی پارامتر دیگر همچون دما، نرخ پراش، انرژی فرمی ،سرعت الکترون ، پیش دوپه و بایاس میدان الکتریکی و معناطیسی بستگی دارد .  در عمل برخی از پارامترهای دیگر همچون نقص  بالقوه در طبیعت پلی کریستالی گرافن نیز می تواند بر روی خواص آن تاثیر گذار باشد . به طور کلی، هدایت  گرافن بسیار وابسته به فرکانس است و در فرکانس های مختلفی مانند مایکروویو و یا تراهرتز می تواند رفتار متفاوتی داشته باشد .شکل (1) مثالی از رسانش و هدایت گرافن به عنوان تابعی از میدان مغناطیسی را فراهم میکند. به طور کلی، ویژگیهای زیر در مورد هدایت گرافن باید در نظر گرفته شود:

بایاس و همسانی (ایزوتروپی):

  • اعمال یک میدان الکتریکی بایاس می تواند حامل های الکترون و یا حفره ی بیشتری در گرافن تزریق کند و بنابراین کنترل پویای هر دو بخش واقعی و خیالی از هدایت را می تواند فراهم کند.
  • اگر یک میدان مغناطیسی بایاس موجود باشد و یا اگر پراکندگی فضایی در نظر گرفته شود، گرافن ناهمسان است . بنابراین بایاس مغناطیسی می تواند برای کنترل پویای ناهمسانی گرافن  مورد استفاده قرار گیرد ، در حالیکه گرافن در غیاب بایاس مغناطیسی بیشتر همسان است .

رفتار عمومی هدایت ایزوتروپیک:

  • اگرچه گرافن بهترین رسانای الکتریکی شناخته شده است، این یک ماده ی تک اتمی بوده و بنابراین مقاومت سطحی آن در مقایسه با فلزات در فرکانس میکرو بسیار بالاست . در این محدوده فرکانس گرافن سطح رسانای متوسط تا بدی است .
  • فرکانس  پلاسمای گرافن  در محدوده ی تراهرتز ،پایین‌تر از فلزات کمیاب است. بنابراین رسانایی آن کلا رفتار متفاوتی در تراهرتز خواهد داشت . در نتیجه انتشار پلاسمونیک می تواند توسط گرافن  در تراهرتز پشتیبانی شود و باعث ایجاد خواص جالبی برای کاربردهای عملی گردد .

2.گرافن در آنتن‌ها و سایر کاربردهای مرتبط :

در این بخش در مورد  دستگاههای گرافنی مختلفی که اخیرا مورد مطالعه قرار گرفته است صحبت  خواهیم کرد .

A . فرکانس  میلی و میکرو:

همانطور که قبلا نیز گفتیم ، گرافن در فرکانس های میکرو و  میلی  رسانای متوسط تا بدی است . با اینحال، کاربردهای اندکی نیز در این محدوده از فرکانس وجود دارد که از خواص ویژه گرافن بهره میگیرد .

1.سیستم های میکروالکترومکانیکی RF (RF-NEMS ):

در یک مفهوم مشابه با RF-MEMS ، یک غشای گرافنی چند لایه ای می تواند در یک شکاف هوا و تحریک شده مکانیکی ، با استفاد از یک نیروی الکترواستاتیکی معلق گردد تا یک سوییچ RF و یا خازن متغیر ایجاد گردد. کاربرد گرافن در اینجا عمدتا به خاطر خواص مکانیکی قابل توجه گرافن  و دستیابی به ولتاژ تحریک بسیار پایین است . چنین دستگاههای در آینده نزدیک ساخته خواهد شد .

2.جاذب‌های قابل تنظیم ومنعطف :

از آنجا که گرافن در امواج میکرو ومیلی کاملا مقاوم است ،کاربرد مستقیم و آسان آن در جاذب های مسطح است . در مقایسه با سایر مواد، مزیت استفاده از گرافن این است که علاوه بر شفافیت و انعطاف پذیری مکانیکی آن ، چنین جاذبهایی  می تواند به صورت پویا در شیوه ای ساده و کارآمد کنترل گردد .   شکل زیر یک جاذب گرافنی چند لایه و عملکرد آن تحت کنترل الکترونیکی  را نشان می دهد .

3.آنتن پچ گرافنی در مایکروویو:

اگرچه آنتن هایی با کارآیی خوب وموثر را نمی توان در امواج میکرو ومیلی توسط گرافن بدست آورد اما استفاده از آن برای یکپارچه سازی و شفافیت در کاربردهایی که کارآیی و بهره وری کمتری نیاز است، جالب خواهد بود.

B   .تراهرتز و مادون قرمز کم:

همانطور که در بخش های قبلی این مقاله گفتیم ، در محدوده ی فرکانسی پلاسما، رسانش گرافن بسیار فعال شده و می تواند ار رزونانس و یا انتشار پلاسمونیک نیز پشتیبانی کند . به عبارت دیگر ، فن آوری های معمولی محدودیت های قابل توجهی در فرکانس های تراهرتز و بالاتر دارد ( به عنوان مثال از دست دادن امکان کنترل دینامیک). بنابراین ما انتظار داریم کاربرد گرافن در این محدوده از فرکانس بسیار بیشتر باشد و بنابراین باقی مانده این مقاله را به همین موضوع اختصاص می دهیم.

1.پلاسمونیک TL و سنجش :

در کارهای مختلفی نشان داده شده است که حالت پلاسمونیکی که توسط گرافن پشتیبانی می شود اصطلاحا slowwave ( موج آهسته) است که این خود باعث می شود دستگاههای ساخته شده دارای اندازه ی بسیار کوچکی باشند . همچنین اخیرا نشان داده شده است که خواص پلاسمون ها نه تنها توسط بایاس الکتریکی بلکه  توسط بایایس مغناطیسی نیز تحت تاثیر قرار میگیرد . همچنین این موضوع می تواند برای کاربردهای سنجشی نیز بسیار جالب باشد .

2. آنتن رزونانس پلاسمونیک:

گرافن یک ماده ی امیدوار کننده برای درک و دستیابی به آنتن های تراهرتز رزونانس مینیاتوری (کوچک) است . همچنین با استفاده از  نوار رزونانس پلاسمونیک مانند دو قطبی ساده،تطبیق مستقیم می تواند  حتی با هندسه ساده  به تراهرتز CW  دست یابد . بهره وری تابش هم با توجه به اندازه های الکتریکی بسیار کوچک خوب است و منجر به عملکردهای قابل مقایسه و حتی بهتری از فلزات می شود .  

منبع: Graphene for Antenna Applications: Opportunities and Challenges from Microwaves to THz