Graphene omogoča ura stopenj v območju terahertz

Anonim

Grafen-ultratični material, sestavljen iz ene same plasti medsebojno povezanih ogljikovih atomov, velja za obetavnega kandidata za nanoelektroniko prihodnosti. V teoriji bi moralo omogočati hitrost uro do tisočkrat hitreje kot današnja elektronika na osnovi silicija. Znanstveniki iz Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in Univerze Duisburg-Essen (UDE) so v sodelovanju z Inštitutom Max Planck za polimerne raziskave (MPI-P) zdaj pokazali, da se lahko grafin dejansko pretvori elektronski signali s frekvencami v območju gigahertz-ki ustrezajo današnjim časovnim urah-izjemno učinkovito v signale z večkratno večjo frekvenco. Raziskovalci predstavijo svoje rezultate v znanstveni reviji Nature .

Današnje elektronske komponente, ki temeljijo na silicijah, delujejo s hitrostjo nekaj sto gigahertov (GHz), to pomeni, da prehajajo več milijard milijard krat na sekundo. Elektronska industrija trenutno poskuša dostopati do območja terahertz (THz), tj. Do tisočkrat hitrejših časov. Obetaven material in potencialni naslednik silicija bi lahko bili grafeni, ki ima visoko električno prevodnost in je združljiv z vsemi obstoječimi elektronskimi tehnologijami. Zlasti teorija že dolgo napoveduje, da je grafen lahko zelo učinkovit "nelinearni" elektronski material, to je material, ki lahko zelo učinkovito pretvori uporabljeno nihajoče elektromagnetno polje v polja z veliko večjo frekvenco. Vendar pa vsa eksperimentalna prizadevanja za dokazovanje tega učinka v grafinu v zadnjih desetih letih niso bila uspešna.

"Zdaj smo lahko dobili prvi neposredni dokaz množenja frekvenc iz gigahertza na terahertz v grafenskem monolayerju in ustvarjali elektronske signale v območju terahertz z izjemno učinkovitostjo, " pojasnjuje dr. Michael Gensch, čigar skupina opravlja raziskave o ultrabrzdni fiziki in upravlja izvorni vir TELBE terahertz na HZDR. In ne samo to - njihovi sodelujoči partnerji, ki jih vodi prof. Dmitrij Turčinović, eksperimentalni fizik na Univerzi v Duisburgu-Essnu (UDE), so uspeli kvantitativno opisati meritve z uporabo preprostega modela, ki temelji na temeljnih fizikalnih principih termodinamike.

S tem prebojem raziskovalci utirajo pot za ultrabrzdno grafeno bazirano nanoelektroniko: "Ne samo, da smo lahko eksperimentalno pokazali dolgo napovedan učinek v grafinu prvič, ampak tudi, da ga razumemo kvantitativno dobro ob istem času, "poudarja profesor Dmitrij Turčinović. "V mojem laboratoriju smo že več let preučevali osnovne fizikalne mehanizme elektronske nelinearnosti grafena, vendar naši svetlobni viri niso bili dovolj, da bi dejansko zaznali in količinsko opredelili frekvenčno množenje čisto in jasno. Za to smo potrebovali eksperimentalne sposobnosti ki so trenutno na voljo samo v objektu TELBE. "

Dolgo pričakovan eksperimentalni dokaz izjemno učinkovite generacije visokih harmonikov terahercja v grafenu je uspel s pomočjo trika: Raziskovalci so uporabili grafen, ki vsebuje veliko prostih elektronov, ki izhajajo iz interakcije grafena z substratom, na katerega je nanosen, kot tudi z zunanjim zrakom. Če so ti mobilni elektroni vzburjen z nihajočim električnim poljem, energijo delijo zelo hitro z drugimi elektroni v grafinu, ki nato reagirajo podobno kot ogreti tekočini: znotraj grafena. Sprememba od "tekoče" do "parne" faze poteka v trilijonih sekundah in povzroča zlasti hitre in močne spremembe prevodnosti grafena. To je ključni učinek za učinkovito množenje frekvenc.

Znanstveniki so uporabili elektromagnetne impulze iz objekta TELBE s frekvencami med 300 in 680 gigahertz in jih pretvorili v grafen v elektromagnetne impulze s tri, petimi in sedmimi kratniki začetne frekvence, tj. Jih pretvorili v frekvenco teraherc. "Nelinearni koeficienti, ki opisujejo učinkovitost nastajanja te tretje, pete in sedme harmonske frekvence, so bili izjemno visoki, " pojasnjuje Turchinovich. "Grafen je torej verjetno elektronski material z najmočnejšo nelinearnostjo, ki je bila do zdaj znana. Dobra soglasja izmerjenih vrednosti z našim termodinamičnim modelom kažejo, da bomo lahko tudi uporabili za napovedovanje lastnosti ultra-hitrih nanoelektronskih naprav, izdelanih iz grafena. " Prof. dr. Mischa Bonn, direktor MPI-P, ki je bil tudi vključen v to delo, poudarja: "Naše odkritje je prelomno. Pokazali smo, da lahko elektronika na osnovi ogljika deluje zelo učinkovito pri ultra hitrih stopnjah. Ultrafast hibridne komponente iz grafena in tradicionalni polprevodniki so tudi razumljivi. "

Poskus smo izvedli z uporabo novega senzorja TELBE terahertz na osnovi superprevodniškega pospeševalnika v Centru ELBE za viri sevanja HZDR. Njegova stokrat večja hitrost impulza v primerjavi s tipičnimi laserskimi terahertznimi viri je naredila merilno natančnost, ki je potrebna za preiskavo grafena. Metoda obdelave podatkov, ki je bila razvita v okviru projekta EU EUCALL, omogoča raziskovalcem, da dejansko uporabijo podatke o meritvah, ki jih vzamemo z vsakim od 100.000 svetlobnih impulzov na sekundo. "Za nas ni nobenih slabih podatkov, " pravi Gensch. "Ker lahko merimo vsak posamezen impulz, pri merjenju natančnosti dobimo red velikosti. Glede merilne tehnologije smo na meji, kar je trenutno mogoče." Prvi avtorji prispevka sta mladi znanstveniki Hassan A. Hafez (UDE / MPI-P) in Sergej Kovalev (HZDR).

menu
menu