美国国家标准和技术研究所（NIST）的研究人员与一个国际团队合作，为微波和先进的通讯装置设计及测量一种有可能变得非常重要的新纳米构造材料。基于NIST的测量，这种构造为多层晶体构成夹层的新型材料，有可能会为手机等装置创造出一种小巧、高性能、高效率的全新元件。
NIST的主要研究员物理学家James Booth表示：“这些材料是材料基因组计划（MGI）所指的‘材料设计’的典型范例，材料科学在构建原子级的复杂结构方面越来越进步，能够制造出具备以前闻所未闻性能的材料。”
这种新型多层晶体就是所谓的“可调频电介质”，举例来说就是电子装置的核心，能使手机调节到精确的频率，从一大堆频率中捕捉到那个独一无二的信号。
据NIST材料科学家Nathan Orloff透露，现代通讯应用一般使用几千兆赫左右的频率，在微波波段内和之外的波段性能优越的可调频电介质一直难以制造。“几十年来人们已经制造出可调频的微波电介质，但总是太耗电。”而这些新型材料能调频高达100千兆赫，为制造新一代先进通讯装置开启了大门。
现代手机的电介质采用原子会错位或消失的材料，这在晶体结构中被称为“缺陷”，会干扰电介质的性能，造成电能损耗。Orloff介绍，这种新型材料的一个主要特性就是自我校准，从而降低它所依赖的晶体部分中缺陷的影响。他说：“我们称这种材料具备‘完美缺陷’，当晶体构建时，存在缺陷的那个部分不会影响到晶体中好的部分。它能够自我校正，创造出完美的电介质层，罕有地实现高调频性能和低电耗。”
这种新型材料含有多层氧化锶，据信这是形成自我校准特色的原因所在，它将可变层数的钛酸锶分开。一般来讲，钛酸锶本身只是一种极为稳定的电介质，根本就不具备调频性能，但是一点纳米构造的魔术解决了这一问题。在一种基底材料上面培养一种薄薄晶体膜状的夹心层，晶体间距是错位的，这就在钛酸锶结构内部产生了压力，从而制造出一种不太稳定的电介质，但却具备了可调频的性能。Orloff表示：“这就像在一张超大号的床上铺上一条大号床单，缺陷控制与压力的结合形成了一种独特的电子性能。”
研究团队的一个重要发现是：除了为晶体夹层增添压力，在氧化锶层之间额外加入钛酸锶层，会增强这一结构在室温下的“可调频”性能，从而提供了控制这种材料反应的新机制。他们在近期的《自然》期刊上发表文章称，每两层氧化锶层之间有六层钛酸锶层。
这种新的夹心材料作为可调频电介质的性能如此优越，能适应广泛波段的频率，以至于由Booth领导的NIST团队不得不开发出一种新的测量技术，即在测试膜上面构建的测试结构阵列，只是为了测量这种材料的电子性能。Orloff补充说：“我们能够描述这些材料作为从10赫兹直至125千兆赫频率电介质的性能，这就相当于以同样的实验装备测量从千米至微米的波长。这种材料的电耗低得多，而在既定应用领域的可调频性能要比我们所见到的任何材料都优越。”
为近期发表的论文做出贡献的国际研究团队除NIST之外，还有康奈尔大学、马里兰大学、宾夕法尼亚州立大学、捷克科学院物理研究所（捷克共和国）、加泰罗尼亚理工大学（西班牙）、康奈尔大学Kavli纳米科学研究所、橡树岭国家实验室、莱布尼茨晶体生长研究所（德国）、德克萨斯大学奥斯汀分校和天普大学。
其他角度的报道，详见康奈尔大学的新闻“可调频天线终结手机掉线” "Tunable antenna could end dropped cell phone calls"，链接为ww.news.cornell.edu/stories/2021/10/tunable-antenna-could-end-dropped-cell-phone-calls。有关NIST 材料基因组计划（MGI）的详细信息，请查阅-搜索兰亭名家网-nist.gov/mgi/index.cfm
原文网址：
温馨提示：本文仅供参考。由于涉及专业众多，人力有限，翻译如有疏漏，敬请谅解。——计量管理与发展战略研究所资讯工作组。
豫公网安备 41010402002371