http://phys.org/news/2013-12-graphene-based-nano-antennas-enable-networks-tiny.html
By John Toon, Dec 12, 2013
(Phys.org) -- 奈米級機器的網路在醫療、工業、環保與國防領域中的潛在應用令人振奮，不過到目前為止，這裡有個「小」問題：以傳統金屬元件製成的奈米級天線能力有所限制。
在低功率的奈米機器之間，利用傳統材料（如銅）製成的天線進行通訊，幾乎是不可能的事。但透過石墨烯這種材料的獨特電氣特性，研究者現在認為，他們正朝「以收集而來的少量能量（scavenged energy），為連結裝置提供電力」這個目標邁進。
基於碳原子的蜂巢網路，石墨烯能產生某種類型的電子表面波（electronic surface wave）使 1 micron 長，10 到 11 nm 寬的天線做到大上許多倍的天線所能做到的事。雖然，可運作的石墨烯奈米天線尚未經過證明，不過研究者表示，他們的塑模與模擬顯示，利用這種新方法與這種替代性材料的奈米網路是可行的。
"我們利用奇特的石墨烯電子傳導，製造出非常小的天線，與相同尺寸的古典金屬天線相較，它能在更低的頻率下輻射，" Ian Akyildiz 表示，喬治亞理工學院電機與電腦工程學系的 Ken Byers 遠距通訊講座。"我們認為，這不過是基於石墨烯使用之新網路與通訊典範的濫觴。"
由 NSF 所資助，這項研究預計會在 IEEE Journal of Selected Areas in Communications (IEEE JSAC) 上報導。除奈米級天線外，研究者也在研究基於石墨烯的奈米級接收器與傳輸協定，那對於奈米機器間的通訊而言是必要的。
通訊挑戰是，在微米尺度下，金屬天線得在數百 THz 的頻率下運作。雖然這些頻率或能提供通訊速度上的優勢，不過其範圍則會受限於傳播損失（propagation losses）而只有幾微米。而且，它們需要很多電力 -- 比奈米機器所可能擁有的還要多。
Akyildiz 從 1990 年代晚期就開始研究奈米網路了，且已獲得這樣的結論：在這些（奈米）機器間，不太可能使用傳統的電磁通訊。但之後，他與他的博士生，Josep Jornet（在 2013 年 8 月畢業，現在是紐約州立大學 水牛城分校的助理教授），開始讀到關於石墨烯的驚人特性。他們對電子在單層材料薄層上如何表現格外感興趣。
"例如，石墨烯當中的電子受入射電磁波刺激時，它們開始前後移動，" Akyildiz 說，"因石墨烯的獨特特性，這種電荷的整體振盪會在石墨烯層上方導致一個受限的（confined）電磁波。"
從技術上來說，那稱為表面電漿極化子（surface plasmon polariton，SPP）波，此效應允許奈米天線在較低的兆赫（terahertz，THz）頻率範圍（介於 0.1 到 10 THz 之間）內運作，而非傳統銅天線在奈米尺度下所要求的 150 THz。為了傳輸，將電子注射到石墨烯薄層下方的介電層（dielectric layer）就能夠創造出 SPP 波。
像金、銀與其他貴金屬也能夠支持 SPP 波的傳播，不過只有在頻率比石墨烯高出許多的情況下。傳統材料，例如銅，不支持這種波。
SPP 波能使電磁波在較低的 THz 頻率下傳播，故所需電力較少 -- 這使它們更適合用在以能量收成技術（energy harvesting technology）運作的奈米機器中。喬治亞理工材料科學與工程系的 Zhong Lin Wang 教授，是這種能量收成技術的先鋒。
"利用這種天線，我們能將頻率減少二個數量級，所需電力也少了 4 個數量級，" Jornet 說。"利用這種天線，我們相信 Dr. Wang 所開發的能量收成技術將提供我們足夠的電力，藉此在奈米機器間創造出一種通訊連結。"
Akyildiz 與 Jornet 展望，網路中的奈米機器將包含幾個積體元件。除了收成能源的奈米發電機（nanogenerators）之外，這裡還會有奈米級的感應、處理與記憶，這些技術目前正由其他小組開發中。在喬治亞理工所完成的奈米級天線與傳送接收器（transceiver）研究，將允許裝置能夠溝通它們從外部世界所感應與處理到的資訊。
"這些元件的每一個都將只有奈米級的度量，但總得來看，我們將有一個量起來只有幾微米的機器，" Jornet 說。"在能源使用與尺寸中，會有許多妥協。"
除了賦予奈米機器通訊能力外，數百或數千組石墨烯天線--傳送接收器也許能結合，幫助完整尺寸的手機與連網筆電的通訊能夠更快。
"兆赫頻帶能使目前無線網路中的資料率提昇二個數量級，" Akyildiz 提到。"目前手機系統中的資料率，在 LET 先進網路中可達 1 Gbps，在所謂的毫米波（millimeter wave）中可達 10 Gbps，或 60 GHz 系統。我們預期在兆赫頻帶中，資料率可達 1 Tbps 的程度。"
Akyildiz 表示，石墨烯獨特的特性對於此天線 -- 以及其他未來電子裝置 -- 至關緊要。
"石墨烯是一種非常強大的奈米材料，那將在未來半個世紀主宰我們的生活，" 他說。"歐盟將以 10 億歐元的投資，支持一個非常大的、涉及許多大學、公司的聯盟，針對此材料進行研究。"
研究者們到目前為止，在他們的實驗室中利用塑模與模擬技術評估過各種奈米天線設計。接下來將會是實際製造一個石墨烯奈米天線，並使用一個基於石墨烯的傳送接收器來操作它。
"我們的計畫證明，石墨烯奈米天線的概念是可行的，尤其將石墨烯中非常準確的電子傳輸（electron transport）模型納入考量時，" Akyildiz 說。"許多挑戰依然在那裡，但這是朝創造先進奈米機器跨出第一步。那在生醫、環保、工業與軍事領域都有許多應用。"
※ 相關報導：
＊ Graphene-based Plasmonic Nano-Antenna for Terahertz Band Communication in Nanonetworks
http://dc.doi.org/10.1109/JSAC.2013.SUP2.1213001
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Selected Areas in Communications, IEEE Journal
Volume:31, Issue:12 Page(s): 685 - 694.
doi: 10.1109/JSAC.2013.SUP2.1213001
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