Молекулярные источники шума повысили чувствительность наноэлектронных устройств

Megumi Akai-Kasaya

Благодаря эффекту стохастического резонанса использование молекулярных источников шума позволило увеличить корреляцию между входящим и исходящим сигналом в электронных устройствах на основе углеродных нанотрубок. В качестве источников шума японские ученые предложили использовать молекулы фосфорномолибденовой кислоты. Работа опубликована в Applied Physics Letters.

В нелинейных бистабильных системах одним из необычных способов перехода между двумя устойчивыми положениями равновесия является стохастический резонанс — совмещение слабых внешних периодических колебаний с достаточно сильным случайным шумом. Такой эффект наблюдается, если для перехода необходимо преодолеть пороговое значение энергии, а амплитуды внешних колебаний для этого не хватает. В результате периодические колебания приводят систему в «подпороговое» состояние, а случайный шум доводит воздействие до уровня, необходимого для перехода в другое равновесное состояние.

Стохастический резонанс приводит к периодическим климатическим изменениям, в частности таянию ледников, и лежит в основе работы некоторых органов чувств у животных. Несмотря на то, что использование стохастического резонанса почти не требует энергии, в современных электронных устройствах его до настоящего момента не использовали.

В своем новом исследовании японские химики разработали устройство на основе углеродных нанотрубок и за счет эффекта стохастического резонанса сильно повысили его чувствительность. Углеродные нанотрубки сами по себе являются источником случайного шума, но чтобы его усилить, ученые дополнительно ввели в устройство молекулы фосфорномолибденовой кислоты H3PMo12O40. Такие молекулы прочно адсорбируются на углеродные поверхности (графит, графен или углеродные нанотрубки) и из-за возможного захвата электронов в свою структуру приводят к увеличению шума в сигналах электронных устройств на основе углеродных нанотрубок примерно на порядок.

В собранном электронном устройстве множество углеродных нанотрубок, как мостики, соединяло два хромовых электрода. На один из электродов подавался периодический сигнал с амплитудой 25 милливольт. Принципиально важным свойством нанотрубок является существование у них порога проводимости. Амплитуда подаваемого сигнала была ниже этого порога, и без дополнительного зашумления корреляция между поданным и измеренным сигналом или отсутствовала, или была очень слабой.

Оказалось, что использование молекулярных источников шума в виде молекул фосфорномолибденовой кислоты позволяет значительно повысить корреляцию между поданным и измеренным на выходе сигналами. По словам ученых, этого удалось добиться благодаря суммированию сигналов с каждой из множества нанотрубок. Для каждой нанотрубки характерна своя нелинейная вольт-амперная характеристика, и для каждой из них создается свой собственный источник шума, который помогает преодолеть свой собственный порог проводимости. Суммирование отдельных сигналов с каждой из нанотрубок, в которых этот порог был преодолен, и позволило получить сигнал, скоррелированный с входящим.

Таким образом ученые показали, что предложенный ими метод можно использовать для детектирования слабых периодических колебаний с очень маленькой амплитудой, которые находятся ниже порога проводящего режима.

Шум может приводить не только к периодическим изменениям за счет стохастического резонанса, но и к резким изменениям в неравновесных системах, определяя развитие системы после точки бифуркации. Такой эффект приводит, например, к извержениям вулканов.

Александр Дубов


Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.