Исследование гистерезесных и импульсных характеристик полосковых линий из оксида графена типа вОГ и углеродных волокон



В статье описаны экспериментальные гистерезесные (вольт-амперные) и импульсные характеристики полосковых линий, содержащих углеродные волокна или оксид графена. Описана математическая модель таких линий. Рассмотрели возможность использования таких линий передачи для разработки различных устройств наноэлектронике.

Ключевые слова : оксид графена, углеродное волокно, гистерезис, импульсная характеристика, вольт-амперная характеристика.

Семейство углерода состоит из нескольких аллотропов от идеального проводника (т. е. графена до диэлектрика (т. е. алмаза), а также полупроводниковых типов углерода, таких как углеродные нанотрубки (УНТ), оксид графена (ОГ), восстановленный оксид графен (вОГ) [1].

Среди полупроводниковых углеродных материалов ОГ представляют собой двумерный (2D) полупроводниковый материал, который используется для создания фотоэлектрических устройства, электрических батарей, топливных элементов и суперконденсаторов [2].

Восстановленный оксид графена вОГ получают химически, уменьшая ОГ с помощью соответствующего восстановительного агента, например, гидразина, или витамина-C. Поэтому вОГ обладает повышенными электрическими и оптическими свойствами по сравнению с другими ОГ3].

Углеродное волокно (УВ) — материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 5 до 15 мкм, образованных преимущественно атомами углерода. В работе [4] описаны электрические свойства УВ. В ней рассматривается зависимость электрического сопротивления УВ от температуры обработки и времени. Указывается, что погонное сопротивление изменяется в широких пределах.

Углеродные волокна и стекловолокна применяются в основном для изготовления полимерных композиционных материалов (углепластика и стеклопластика). В частности, из углепластика и стеклопластика изготавливаются рефлекторы антенн [5]. Отмечается, что собственное отражение радиосигнала у углепластика в высокочастотном диапазоне составляет 85–92 %, поэтому на поверхность рефлектора для достижения максимально коэффициента отражения наносят металлические пленки.

Гистерезисные явления активно изучаются в технике и физике. Помимо этого в ряде работ отмечалось наличие гистерезисных явлений в изученных явлениях. Возможность исследования моделей систем с гистерезисом основывается на операторной трактовке гистерезисных нелинейностей, развитой М. А. Красносельским и его учениками [6].

Учет нелинейностей гистерезисной природы приводит к необходимости пересмотра подходов к решению целого ряда задач моделирования и анализа динамических процессов и систем.

Описание конструкции

Были изготовлены медные отрезки несимметричных полосковых линий (НПЛ), в разрывы которых, шириной 2 мм, включены отрезки УВ и вОГ. Отрезки УВ и вОГ плотно прижимались к концам отрезков НПЛ и фиксировались с помощью полимерной клеящейся пленкой. Концы отрезков УВ и вОГ имели контакт с медными полосками. Соединение с измерительными приборами осуществлено посредством коаксиально-полосковых переходов. В качестве диэлектрической подложки использовался материал Флан-3.8 толщиной 2 мм, диэлектрическая проницаемость которого . Размер платы, на которой изготовлена полосковая линия 80×58×2 мм. Полосковая линия изготовлена методом фрезерования медной фольги. Волновое сопротивление отрезков НПЛ составляло 50 Ом.

Экспериментальные исследования проводились на двух образцах. Образец 1 содержал две НПЛ с УВ, у которой одна НПЛ покрыта оловом. Образец 2 содержал 1 НПЛ с вОГ.

Фото этих образцов приведены на рис. 1 и рис. 2.

Рис. 1. Образец 1: 1 — НПЛ медь-углерод-медь; 2- НПЛ олово — углерод-олово

Рис. 2. Образец 2: НПЛ медь-вОГ-медь

Методика экспериментальных исследований

Для исследования гистерезесных процессов была собрана экспериментальная установка (см. рис. 3), содержащая генератор сигналов произвольной формы Tektronix AFG 3101 и четырехвходовый осциллограф Tektronix TDS 3034B, подключенный к компьютеру.

Эквивалентная схема экспериментальной установки приведена на рис. 4.

Рис. 3. Экспериментальная установка

Рис. 4. Эквивалентная схема экспериментальной установки: Е _ген — генератор пилообразного напряжения; Z _ген — выходное сопротивление генератора; Z ₁ — входное сопротивление входа А осциллографа; Z ₂ — входное сопротивление входа В осциллографа; Z _х — распределенное сопротивление исследуемой линии

Параметры экспериментальной установки были настроены следующим образом:

Е _ген = ± 10 В, F _пов = 1МГц, Z _ген = 50 Ом, Z ₁ = 1 Мом, Z ₂ = 50 Ом

Так как измерения идут на относительно низких частотах, то можно принять, что входной I ₁ и выходной I ₂ токи НПЛ равны. Тогда I ₂ , протекающий через НПЛ определяем через напряжение U ₂ на входе осциллографа «В»:

I ₂ =U ₂ /Z ₂ .

Измеренные напряжения на входе и выходе образцов приведены на рис. 5. Снятые напряжения сохранялись в компьютере для дальнейшей обработки.

Рис. 5. Напряжения на входе U ₁ и выходе U ₂ НПЛ разных образцов

По полученным экспериментальным результатам были построены вольт-амперные характеристики (ВАХ) для трех НПЛ, рис. 6 а,б,в.

а) НПЛ медь-вОГ-медь

б) НПЛ медь-УВ-медь

в) НПЛ олово-УВ-олово

Рис. 6. Вольт-амперные характеристики НПЛ

Полученные ВАХ показывают, что у некоторых НПЛ наблюдаются гистерезесные свойства, таких как НПЛ медь-вОГ-медь (рис. 8а) и медь-углерод-медь (рис. 6 б). Было выдвинуто предположение, что эти НПЛ ведут себя как RC-фильтр.

Для проверки этого предположения были сняты приведенные импульсные характеристики исследуемых НПЛ, которые представлены на рис. 7.

Рис. 7. Импульсные характеристики НПЛ

Как видно из рис. 7, НПЛ медь-вОГ-медь обладает ярко выраженными свойствами RC-фильтра или линии задержки. Время задержки составила 260 пс по уровню 0,5.

В Mathad была разработана математическая модель распределенного RC-фильтра.

На рис. 8 представлены входные и выходные напряжения, полученные для модели RC-фильтра, а на рис. 9 — ее ВАХ

Рис. 8. Напряжения на входе и выходе модели RC-фильтра

Рис. 9. Рассчитанная ВАХ модели RC-фильтра

Как видно из рис. 5, 6 и 8, 9, наблюдается хорошая корреляция между экспериментом и расчетом.

Заключение

Были получены вольт-амперные и импульсные характеристики несимметричных полосковых линий на основе УВ и вОГ. Были выявлены нелинейные свойства, эффект сглаживающего фильтра, который формирует петлю гистерезиса.

Математической моделью таких НПЛ является длинная линия с волновым сопротивлением 50 Ом и большими погонными омическими потерями (100 Ом/м) и длиною 1 м.

Описываемые эффекты могут найти применение в наноэлектронике. Например, при срабатывании различных пороговых элементов в электронных устройствах, требуется задержка во времени. Также, гистерезис используется в компараторах или триггерах Шмидта с целью стабилизации работы устройств, которые могут срабатывать в результате помех или случайных всплесков напряжения. Задержка по времени исключает случайные отключения электронных узлов.

Литература:

1. I. K. Moon, J. Lee, R. S. Ruoff, H. Lee, Reduced graphene oxide by chemical graphitization, Nature Communications 1 (2010) 73.
2. [2] X. Cui, R. Lv, R. U. R. Sagar, C. Liu, Z. Zhang, Reduced graphene oxide/carbon nanotube hybrid film as high performance negative electrode for supercapacitor, Electrochimica Acta 169 (2015) 342–350.
3. F. Bonaccorso, Z. Sun, T. Hasan, A. C. Ferrari, Graphene photonics and optoelectronics, Nat Photon 4(9) (2010) 611–622.
4. Morgan P. Carbon Fibers and Their Composites. Talor &Francis Group. 2005. — 1131 p.
5. Михеев А. Е., Гирн А. В., Раводина Д. В., Хоменко И. И., Алякрецкий Р. В. // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М. Ф. Решетнева. 2015. Т. 16. № 4. С. 898–906.
6. Красносельский М. А., Покровский А. В. Системы с гистерезисом. — М.: Наука, 1983. — 271 с.