碳納米管陣列輻射的實(shí)驗(yàn)研究

1 引言

自1991年日本Iijima教授發(fā)現(xiàn)碳納米管以來，納米技術(shù)吸引了大量科學(xué)家的興趣和研究，是目前科學(xué)界的研究熱點(diǎn)。基于碳納米管獨(dú)特的電學(xué)特性，提出了利用碳納米管陣列構(gòu)筑新型天線和傳輸線的設(shè)想。自此，國外相關(guān)機(jī)構(gòu)也開展了有關(guān)碳納米管和電磁波相互作用的研究利用碳納米管構(gòu)建新型的電磁波傳輸介質(zhì)以及發(fā)展新型的天線技術(shù)成為微波領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

由于具有彈道輸運(yùn)效應(yīng)以及準(zhǔn)一維量子線特性，碳納米管與傳統(tǒng)金屬管相比具有較低的歐姆損耗和較弱的趨膚效應(yīng)，具有構(gòu)建新型天線的可能，因此國內(nèi)外對納米天線進(jìn)行了不少研究。研究了單根納米管作為偶極子天線的性質(zhì)，理論計(jì)算表明納米管上電磁波的波長大約是自由空間中波長的1/50，具有在較低頻段諧振的可能。但是由于單根碳納米管天線輸入阻抗很高，導(dǎo)致天線效率太低，并沒有實(shí)際應(yīng)用的可能。因此采用碳納米管陣列構(gòu)建微波器件更具有現(xiàn)實(shí)意義。提出采用中點(diǎn)饋電的碳納米管束作為天線陣并采用CST進(jìn)行仿真，結(jié)果表明納米管束比單根納米管的天線效率提高了30-40dB，文中把納米管束作為電導(dǎo)率與納米管根數(shù)成正比的單根天線來研究，在理論上不夠準(zhǔn)確，而且鑒于納米管束的尺寸，采用中點(diǎn)饋電的方式激勵(lì)納米管束在實(shí)際中很難實(shí)現(xiàn)，所以耦合饋電方式是更好的選擇。采用碳納米管束組成圓形和矩形陣列并進(jìn)行了仿真分析，討論了納米管陣列各尺寸參數(shù)對輻射的影響，但是該文并沒有考慮到納米管的量子效應(yīng)并且缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)。本文提出了一種新型的碳納米管天線陣列研究方法，即采用傳統(tǒng)微帶天線和印刷八木天線分別加載碳納米管束的方法對納米管陣列進(jìn)行空間饋電并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，測試結(jié)果表明加載碳納米管陣列后微帶天線輻射性能有明顯改變。

2 碳納米管材料

2.1 單壁碳納米管

單壁碳納米管是單層的圓筒形分子，僅由碳原子組成，在模型上可以看成是由層狀結(jié)構(gòu)的石墨片卷曲而成的半徑為納米尺度的空心管。圖1示意了如何由石墨片按所標(biāo)注的三種方向卷曲成碳納米管。

圖1 碳納米管卷曲示意圖

需要注意的是，這三種卷曲方式可以形成不同類型的碳納米管，其電學(xué)性質(zhì)也隨之呈現(xiàn)金屬性或半導(dǎo)體性，這是單壁碳納米管一個(gè)非常重要的特性。

2.2 多壁碳納米管

多壁碳納米管可以被看成是由多層片狀結(jié)構(gòu)的石墨片卷曲而成的套筒結(jié)構(gòu)，直徑一般為15-50nm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明單根的多壁碳納米管電導(dǎo)率約為1000-2000s/cm，具有良好的導(dǎo)電性能。

2.3 碳納米管的制備

目前碳納米管的制備方法主要有三種，分別是弧光放電法，激光高溫?zé)品ㄒ约盎瘜W(xué)氣相沉淀法。本文采用的實(shí)驗(yàn)樣品是使用化學(xué)氣相沉淀法制備多壁碳納米管陣列如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)樣品掃描電鏡照片

3 碳納米管陣列分析

3.1 周期金屬陣列概述

自日本學(xué)者八木秀次于1926年首次提出多引向性周期性金屬導(dǎo)波結(jié)構(gòu)以來，八木-宇田天線作為一種高定向性的行波天線獲得廣泛應(yīng)用。隨后進(jìn)行的理論研究表明在適當(dāng)?shù)募?lì)下，電磁波能沿著周期金屬柱陣列以行波的形式進(jìn)行有效傳輸，直到從不連續(xù)處輻射出去。

3.2 碳納米管陣列

文獻(xiàn)[2]通過對周期性電磁場激勵(lì)下的碳納米管中電子運(yùn)動(dòng)的分析，發(fā)現(xiàn)電子隨激勵(lì)電磁場做同周期的振蕩，輻射相同頻率的電磁波，這與傳統(tǒng)的金屬材料具有相似性。采用考慮量子效應(yīng)的海倫積分公式對碳納米管陣列的導(dǎo)波特性進(jìn)行了理論分析，證明了碳納米管陣列具有與宏觀金屬柱陣列類似的導(dǎo)波能力，同時(shí)由于碳納米管具有較大的動(dòng)能電感和量子電容，其諧振波長約為空間波長的1/12到1/50，因此碳納米管陣列尺寸遠(yuǎn)小于金屬陣列，更易于構(gòu)建小型化微波器件。

4 實(shí)驗(yàn)

4.1 微帶貼片天線加載納米管陣列的實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證碳納米管天線陣列的輻射性能，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。圖中的貼片天線是一個(gè)ku波段的微帶矩形貼片天線，作為對碳納米管陣列空間饋電的饋源，實(shí)物圖如圖4所示。

圖3 微帶貼片天線實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖4 微帶貼片天線實(shí)物圖

我們在貼片天線上加載納米管陣列，分別測試了天線的駐波以及方向圖，并與未加載的情況進(jìn)行對比，以此來觀測納米管陣列的輻射性能。圖5是采用HP8720ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試的S11結(jié)果，從圖上可以看出加載納米陣列以后S11沒有明顯的變化。圖6給出了幾個(gè)頻點(diǎn)的歸一化方向圖的測試結(jié)果，測試平面是圖3中的yoz面。從測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在加載納米陣列后，天線方向圖發(fā)生了明顯的變化，在偏離主輻射方向約90度方向出現(xiàn)了一個(gè)新的波瓣，理論分析表明這是因?yàn)榧虞d的納米管陣列導(dǎo)波方向與貼片天線的天頂方向垂直，通過微帶貼片天線空間耦合過來的一部分能量受到納米管陣列導(dǎo)引而向水平面方向輻射。

圖5 微帶貼片天線S11測試結(jié)果

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

圖6 微帶貼片天線方向圖測試結(jié)果

(a)13GHz, (b)13.1GHz, (c)13.2GHz, (d)13.3GHz, (e)13.4GHz,(f)13.5GHz

4.2 微帶八木天線加載納米管陣列的實(shí)驗(yàn)

我們還設(shè)計(jì)了一種微帶八木天線作為碳納米管陣列空間饋電的饋源，采用的實(shí)驗(yàn)裝置與天線實(shí)物圖如圖6, 7所示。這種微帶天線具有較好的定向性，并且增加引向振子的數(shù)目能夠顯著提升它的定向能力，因此我們將納米陣列貼在天線的引向振子處，并使納米管線的方向與引向振子方向一致，測試結(jié)果如圖8, 9所示。從圖8可以看到，加載納米陣列后天線的諧振頻率發(fā)生了變化，這與矩形貼片天線的測試結(jié)果不同。另外，從方向圖測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)加載納米陣列后天線定向性有所提高，理論分析表明是因?yàn)榧{米管陣列增強(qiáng)了引向振子對能量的導(dǎo)引。

圖6 微帶八木天線實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

(a)無加載 (b)加載碳納米管陣列

圖7 微帶八木天線實(shí)物圖

圖8 微帶八木天線S11測試結(jié)果

(a) (b)

(c) (d)

圖9 微帶八木天線方向圖測試結(jié)果

(a)16GHz, (b)16.1GHz, (c)16.2GHz, (d)16.3GHz,

5 總結(jié)

本文通過采用在微帶天線上加載碳納米管陣列的方法對碳納米管陣列天線的輻射性能做了實(shí)驗(yàn)研究。文章首先測試和比較了兩種微帶天線加載碳納米管陣列后輻射方向圖的變化，其結(jié)果表明碳納米管陣列能夠顯著改變天線的輻射特性。