Усиление углеродными нанотрубками  СВЧ излучения

Высокое аспектное отношение и хорошие проводящие свойства углеродных нанотрубок (УНТ) открывают перспективы использования этого материала в качестве эффективного источника СВЧ излучения. Преимущества таких СВЧ-антенн перед обычными металлическими или диэлектрическими антеннами связаны с относительно низким уровнем омических потерь, вследствие баллистического характера электронной проводимости УНТ. Экспериментальные исследования, выполненные в последние годы, показали, что антенна на основе УНТ, имеющих радиус порядка нанометра, характеризуется существенно более низким уровнем потерь, чем медный цилиндр той же геометрии. Детальное исследование характеристик антенны на основе нанотрубок выполнено недавно в Univ. of Hefei (КНР) и Univ. of Arizona (США). Авторы использовали массив нанотрубок, выращенный методом химического осаждения паров (CVD) на кремниевой подложке в присутствии катализатора на основе железа. Кремниевую пластину, покрытую золем на основе железа, вводили в кварцевую трубку и выдерживали в течение 10 ч при температуре 500⁰ С в атмосфере водорода, что приводило к образованию наночастиц железа нужного размера (диаметр 27 нм при среднем расстоянии между частицами 10 нм). Синтез УНТ производили на подготовленной таким образом подложке при температуре 670⁰ С в потоке ацетилена и аргона при отношении 1:15. Полученные образцы исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа. Наблюдения показали, что массив нанотрубок, имеющих диаметр около 20 нм и длину около 20 мкм, характеризуется высокой степенью однородности.

Для исследования влияния массива УНТ на работу СВЧ антенны использовали конфигурацию, показанную на рисунке.

Исходная полосковая антенна (а) имела рабочие пластины площадью 2х5 см². Излучательные свойства этой антенны сравнивали с соответствующими характеристиками антенны (b), на пластины которой помещали подложки с массивами УНТ. Расстояние между излучателем и приемной антенной составляло 2 м. Исследования, проведенные в частотном диапазоне от 9 кГц до 2 ГГц, показали, что использование массивов УНТ повышает интенсивность излучения антенны. Эффект зависит от частоты излучения и на некоторых частотах может достигать 10 дБ.

Поглощение композитом SiО2+УНТ СВЧ излучения

Композитные материалы, в которые добавлены углеродные нанотрубки (УНТ), существенным образом изменяют свои характеристики. В недавно опубликованной работе сотрудников Shanghai Inst. Ceramics (Академии наук Китая) показано, что композитный материал из диоксида кремния с добавкой многослойных УНТ эффективно поглощает СВЧ излучение. Нанотрубки диаметром и длиной в диапазоне 20-40нм и 5-15мкм, соответственно, были получены термокаталитическим разложением метана. Плотный композитный материал получен горячим прессованием мелкодисперсной диоксида кремния, предварительно перемешанной с УНТ. Для измерений диэлектрической постоянной использовали образцы размером 22.86х10.16х2.0мм³. В частотном диапазоне от 8-12ГГц как действительная ε΄, так и мнимая ε΄΄ компоненты диэлектрической постоянной монотонно возрастают с ростом содержания УНТ в образце. Так, при добавлении 2.5 об. % УНТ величина ε΄ возрастает до 8, что примерно в 2.4 раза превышает величину для чистой диоксида кремния. При добавлении 10% УНТ эта величина возрастает, в зависимости от частоты излучения, от 36 до 56. Величина ε΄΄ также возрастает с увеличением содержания УНТ в образце, однако в отличие от ε΄, величина которой падает с ростом частоты излучения, частотная зависимость параметра ε΄΄ имеет возрастающий характер. Отношение указанных параметров ε΄/ε΄΄, известное под названием «тангенс угла потерь» tg δ, при содержании УНТ в образце 2.5% примерно на 3 порядка превышает величину, присущую чистой диоксида кремния. При дальнейшем увеличении содержания УНТ до 7.5 – 10% tg δ приближается к единице. Прямые измерения коэффициента пропускания СВЧ излучения синтезированными композитами также указывают на рост коэффициента поглощения СВЧ излучения с увеличением содержания УНТ в образце. Так, при объемном содержании УНТ в образце, равном 10%, коэффициент пропускания излучения в диапазоне частот 11–12ГГц достигает 33дБ, что указывает на отличную поглощающую способность рассматриваемого материала.

Зависимость пропускания микроволн (дБ) от частоты для образцов композитов SiО2+УНТ толщиной 5мм при различной концентрации УНТ.