Presentación Nanotubos de Carbono

Pablo Pascual Perea Roberto Fernández Fernández

Julio Jornet Monteverde

Alicante, 27 de Noviembre 2012

Aplicaciones Micro Ondas con Nanotubos de Carbono:

Nano-Antenas y Nano-Switches

MASTER DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIONESAplicaciones Multidisciplinares de las Telecomunicaciones

Aplicaciones Multidisciplinares de las TIC Pablo Pascual Perea

• Introducción

• Propiedades de los NanoTubos de Carbono

• Nano Antenas

• NEMS (Nano Electro-Mechanical Systems)

• Aplicaciones

• Conclusiones

Índice

Aplicaciones Multidisciplinares de las TIC Pablo Pascual Perea

• Material compuesto de carbono ,con extraordinarias

propiedades eléctricas , térmicas , estructurales y mecánicas

atractivos para futuras aplicaciones en campos como:

o líneas transmisión nano-escala

o nano antenas

o nano componentes activos y pasivos: NEMS

Introducción

NanoTubo de Carbono (CNT)

Aplicaciones Multidisciplinares de las TIC Pablo Pascual Perea

• Introducción

• Propiedades de los NanoTubos de Carbono

o Mecánico y estructural

o térmico

o eléctrico

• Nano Antenas

• Nano Switches

• Aplicaciones

• Conclusiones

Índice

Aplicaciones Multidisciplinares de las TIC Pablo Pascual Perea

• SWCNT: Hoja de grafeno enrollada y dividida en celdas mono-atómicas de grafito

• MWCNT: Múltiples SWCNT espaciadas en 0,34 mm

• Según orientación del enrejado hay 3 tipos de estructuras:

o Armchair (metálico)o Zigzag (metálico & semiconductor)o Chiral (metálico & semiconductor)

Estructural

Propiedades de los NanoTubos de Carbono

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• SWCNT y MWCNT tienen excepcionales propiedades mecánicas:

o Gran Young Modulus (alta elasticidad) alrededor de TeraPascal

Particularidad CNT: recombinación en grupo del carbono

Mecánica

Propiedades de los NanoTubos de Carbono

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• CNT tiene excepcional conductividad térmica:

• Aumenta con la temperatura como un semiconductor clásico

Térmica

Propiedades de los NanoTubos de Carbono

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• Sustitución del cobre debido alta conductividad en nano escala.

• La conductividad aumenta con la longitud del CNT.

• Aparición de Inductancia magnética distribuida y la dominante , Inductancia debido a la energía kinética de los electrones (10.000 veces mayor). Comportamiento transmisor quantum.

Eléctricas

Propiedades de los NanoTubos de Carbono

Aplicaciones Multidisciplinares de las TIC Pablo Pascual Perea

• Introducción

• Propiedades de los NanoTubos de Carbono

• Nano Antenas

• NEMS (Nano Electro-Mechanical Systems)

• Aplicaciones

• Conclusiones

Índice

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Nano Antenas - Introducción

• PROBLEMA: Comunicación entre los nano-dispositivos y el mundo "macro".

• SOLUCIÓN: Nano Antenas.

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• Propiedades eléctricas particulares comparadas con las del cobre.o CONDUCTIVIDAD: El doble (108 S/m Vs 5,8.107 S/m).

o VPROPAGACION ONDAS : De 0,02c a 0,01c cerca de la resonancia.

Nano Antenas - Introducción

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• Longitud típica de los nanotubos permitiría fabricar antenas de GHz y THz para comunicaciones inalámbricas.

• Fabricación de antenas de GHz usando nanotubos como dipolos resonantes.

Nano Antenas - Introducción

Aplicaciones Multidisciplinares de las TIC Roberto Fernández Fernández

• Estudios de las propiedades eléctricas han encontrado importantes problemas técnicos que pueden limitar la eficiencia de este tipo de antenas:o Pérdidas óhmicas.o Alta frecuencia de relajación del electrón.

No hay demostraciones experimentales realizadas para confirmar o desmentir estos estudios teóricos.

Nano Antenas - Introducción

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• Antenas de hilo:

• Las más comunes y versátiles. Configuración típica en λ/2.o Patrón típico de radiación

o Impedancia de entrada.

o Ganancia.

o Directividad.

o Eficiencia de radiación.

Nano Antenas - De macro a nano

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• Mismas características que las macro-antenas pero diferentes valores.

• Simulación de una nano-antena de hilo con las mismas características que los CNTs:o Longitud del dipolo ajustada para una frecuencia de

resonancia de 100 GHz.

Nano Antenas - CNTs Nano Antenas

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Nano Antenas - CNTs Nano Antenas

Aplicaciones Multidisciplinares de las TIC Roberto Fernández Fernández

Nano Antenas - CNTs Nano Antenas

• Ganancia y eficiencia de radiación muy por debajo de los valores típicos de una antena de hilo.

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Nano Antenas - CNTs Nano Antenas

• Ganancia y eficiencia de radiación muy por debajo de los valores típicos de una antena de hilo.

• Impedancia también es mucho mayor

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• Una de las diferencias más importantes en las características es la velocidad de propagación de onda y la frecuencia de resonancia.

o 0,02c en línea de transmisión.o Cuando se usa como dipolo = 0,01co Como consecuencia Longitud de la antena del

orden de 10 a 25 µm para una fres de 100 GHz.

Nano Antenas - CNTs Nano Antenas

Aplicaciones Multidisciplinares de las TIC Roberto Fernández Fernández

• La impedancia de entrada también supone una gran diferencia : 50 Ohm Vs 1260 Ohm.

Aparte de adaptar las dimensiones entre los nanotubos y las líneas de transmisión otro aspecto importante

a resolver es el adaptar las impedancias.

Nano Antenas - CNTs Nano Antenas

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• Otro gran problema es la baja ganancia y eficiencia de radiación -60 a -70 dB para una antena de 100 GHz.o Alto amortiguamiento por frecuencia de relajación de

los electrones en el CNT (Varía de 50 GHz hasta 1 GHz).

Nano Antenas - CNTs Nano Antenas

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• Objetivos:o Conseguir antenas capaces de comunicarse con

componentes nanométricos.o Evitar contacto con el mundo microscópico.

Con nano antenas el problema de multiplexar entradas y salidas se traslada del dominio espacial al frecuencial.

Se evita el problema de realizar las interconexiones.

Nano Antenas - CNTs Nano Antenas

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• Nanodispositivos que puedan usarse como sensores o activadores biológicos

Nano Antenas - CNTs Nano Antenas

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• Introducción

• Propiedades de los NanoTubos de Carbono

• Nano Antenas

• Nano Switcheso Sistemas MEMSo Sistemas NEMSo Switches NEMS

o Fabricación NEMS

• Aplicaciones

• Conclusiones

Índice

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Sistemas MEMS - Micro

- Se utilizan en la actualidad (1979)

- Realizan conmutaciones con órdenes electroestáticas

- Costo y tamaño similares a diodos PIN o FET

- Pérdidas por Inserción muy bajas (< 0.1dB - 10GHz)

- Consumo muy reducido - superficie reducida ( < 1mW)

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Sistemas NEMS - Nano

Ofrecen ventajas frente a MEMS o tecnologías de conmutación como ferroeléctricas, magnetoresistivas:

- Menor consumo de energía que en MEMS

- Fugas de Estado insignificantes

- Escalabilidad

- Gran resistencia a la Radiación y Perturbaciones

Electromagnéticas

- Pueden trabajar con señales de mayores frecuencias

Campo de Aplicación: Defensa y Aeroespacial

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Metodología Fabricación NEMS -> Bottom-Top debido a las propiedades descritas:

- Tamaño -> Vactuación y Tactuación disminuye

- Eléctrica/Mecánica -> Potencia RF alta

- Vactuación -> disminución tamaño/precio en cto control

Sistemas NEMS - Nano

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Ejemplos: Nano Pinzas, RAM, Actuadores, Nano Relés, SW

- Bajo Voltaje de actuación

- Dos tipos de estructuras:

Interruptores NEMS con CNT

CNTs Horizontales

Suspendidos entre 2 electrodosVact -> 1-10V

CNTs Verticales

Nanotubos colocados verticalmenteVact -> 20V

Posibilidad obtener: Tsw < 50nS y Vact < 1V

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1. Objetivo: fabricación en serie de nano-interruptores RF con CNT verticales en el mismo sustrato y con alta densidad de integración.

Métodos de fabricación SW-CNT

SW-CNTs por contacto Óhmico SW-CNTs Capacitivos

2. Simulaciones con FEM y MOL modelizando las propiedades de los CNTs

3. Tipos de arquitecturas de fabricación SW-CNTs:

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Matriz de CNTs verticalesDimensiones:

5µm altura, 50nm Ø, 10µm espaciado

Estructura muy Homogénea:

4% desv.estándar Ø y 7% en la altura

Fuertes enlaces covalentes:

menos sensibilidad electromigración

Corrientes muy altas: 10^8 A/cm^2

Métodos de fabricación SW-CNT

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• Telefonía Móvilo Velocidad datos superiores 100Mb/s con frecuencias hasta 66 GHzo Interés potencial en CNT: bajo coste, muy eficientes, reducido tamaño

• Entretenimiento (banda-V)o Sistemas Inalámbricos con altas velocidades datoso Reducción cableadoso Reducción tamaño y peso del sistema

• Control de velocidad en coches (banda-E)o Sensores Infrarojos y de Radaro Antenas muy pequeñas -> instalación en cualquier lugar

• Sistemas de Seguridad Aérea (banda-W)o Aumentar seguridad nocturna o con condiciones desfavorableso Evaluación posibles obstáculos en la trayectoria de vuelo

Aplicaciones

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• Aplicaciones Potenciales según propiedades físicas CNT vistas:

o Nano-Antenas 100 veces menos Intensidad excitación Problema: adaptación de Impedancias CNT/Aire/dispositivo Pobre eficiencia de la radiación

o Nano-Interruptores

Ultraminiaturización Baja Tensión -> bajo consumo Alta velocidad -> mayor frecuencia

• Evaluar estos dispositivos para transmisión señales micro-ondas

Conclusiones

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Aplicaciones Micro Ondas con Nanotubos de Carbono:

Nano-Antenas y Nano-Switches

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