الجرافين: كل شيء تحت السيطرة: فريق البحث يوضح آلية التحكم في المواد الكمومية

أعاد نشره أفلاطون

المتابعون: 0

الصفحة الرئيسية > صحافة > الجرافين: كل شيء تحت السيطرة: فريق البحث يوضح آلية التحكم في المواد الكمومية

البروفيسور د. ديمتري تورتشينوفيتش من جامعة بيليفيلد هو واحد من اثنين يقودان الدراسة. يبحث في كيفية استخدام الجرافين في تطبيقات الهندسة الكهربائية المستقبلية. الصورة: جامعة بيليفيلد / M.-D. Müller CREDIT الصورة: جامعة بيليفيلد / M.-D. مولر

المستخلص:
كيف يمكن نقل أو معالجة كميات كبيرة من البيانات في أسرع وقت ممكن؟ أحد المفاتيح لهذا يمكن أن يكون الجرافين. يبلغ سمك المادة فائقة الرقة طبقة ذرية واحدة فقط، والإلكترونات التي تحتوي عليها لها خصائص خاصة جدًا بسبب التأثيرات الكمية. ولذلك يمكن أن يكون مناسبًا جدًا للاستخدام في المكونات الإلكترونية عالية الأداء. ومع ذلك، حتى هذه اللحظة، كان هناك نقص في المعرفة حول كيفية التحكم بشكل مناسب في خصائص معينة للجرافين. غيرت دراسة جديدة أجراها فريق من العلماء من بيليفيلد وبرلين، بالتعاون مع باحثين من معاهد بحثية أخرى في ألمانيا وإسبانيا، هذا الأمر. ونشرت النتائج التي توصل إليها الفريق في مجلة Science Advances.

الجرافين: كل شيء تحت السيطرة: يوضح فريق البحث آلية التحكم في المواد الكمومية

بيليفيلد ، ألمانيا | نُشر في 9 أبريل 2021

يتكون الجرافين من ذرات الكربون، وهو مادة يبلغ سمكها ذرة واحدة فقط حيث يتم ترتيب الذرات في شبكة سداسية. هذا الترتيب للذرات هو ما يؤدي إلى خاصية الجرافين الفريدة: الإلكترونات الموجودة في هذه المادة تتحرك كما لو أنها لا تملك كتلة. يؤدي هذا السلوك "عديم الكتلة" للإلكترونات إلى موصلية كهربائية عالية جدًا في الجرافين، والأهم من ذلك، يتم الحفاظ على هذه الخاصية في درجة حرارة الغرفة وتحت الظروف المحيطة. لذلك من المحتمل أن يكون الجرافين مثيرًا للاهتمام جدًا لتطبيقات الإلكترونيات الحديثة.

وقد اكتشف مؤخرًا أن الموصلية الإلكترونية العالية والسلوك "عديم الكتلة" لإلكتروناته يسمح للجرافين بتغيير مكونات تردد التيارات الكهربائية التي تمر عبره. تعتمد هذه الخاصية بشكل كبير على مدى قوة هذا التيار. في الإلكترونيات الحديثة، تشتمل هذه اللاخطية على واحدة من الوظائف الأساسية لتبديل ومعالجة الإشارات الكهربائية. ما يجعل الجرافين فريدًا هو أن عدم خطيته هو الأقوى على الإطلاق بين جميع المواد الإلكترونية. علاوة على ذلك، فهو يعمل بشكل جيد جدًا مع الترددات الإلكترونية العالية بشكل استثنائي، ويمتد إلى نطاق تيراهيرتز (THz) المهم تقنيًا حيث تفشل معظم المواد الإلكترونية التقليدية.

في دراستهم الجديدة، أثبت فريق من الباحثين من ألمانيا وإسبانيا أنه يمكن التحكم في عدم خطية الجرافين بكفاءة عالية من خلال تطبيق جهد كهربائي متواضع نسبيًا على المادة. ولهذا السبب، قام الباحثون بتصنيع جهاز يشبه الترانزستور، حيث يمكن تطبيق جهد التحكم على الجرافين عبر مجموعة من الاتصالات الكهربائية. بعد ذلك، تم إرسال إشارات T هرتز ذات التردد الفائق باستخدام الجهاز: تم بعد ذلك تحليل الإرسال والتحويل اللاحق لهذه الإشارات فيما يتعلق بالجهد المطبق. وجد الباحثون أن الجرافين يصبح شفافًا تمامًا تقريبًا عند جهد معين، واستجابته غير الخطية القوية عادة تختفي تقريبًا. من خلال زيادة أو خفض الجهد قليلاً من هذه القيمة الحرجة، يمكن تحويل الجرافين إلى مادة غير خطية بقوة، مما يغير بشكل كبير قوة ومكونات التردد للإشارات الإلكترونية المرسلة والمرسلة التيرا هرتز.

يقول البروفيسور ديمتري تورشينوفيتش، عالم الفيزياء في جامعة بيليفيلد وأحد رؤساء هذه الدراسة: "هذه خطوة مهمة للأمام نحو تطبيق الجرافين في تطبيقات معالجة الإشارات الكهربائية وتعديل الإشارات". "في وقت سابق، أثبتنا بالفعل أن الجرافين هو أكثر المواد الوظيفية غير الخطية التي نعرفها على الإطلاق. ونحن نفهم أيضًا الفيزياء الكامنة وراء اللاخطية، والتي تُعرف الآن باسم الصورة الديناميكية الحرارية لنقل الإلكترون فائق السرعة في الجرافين. ولكن حتى الآن لم نكن نعرف كيف للسيطرة على هذه اللاخطية، والتي كانت الحلقة المفقودة فيما يتعلق باستخدام الجرافين في التقنيات اليومية."

"من خلال تطبيق جهد التحكم على الجرافين، تمكنا من تغيير عدد الإلكترونات في المادة التي يمكن أن تتحرك بحرية عند تطبيق الإشارة الكهربائية عليها،" يوضح الدكتور حسن حافظ، عضو فريق البروفيسور الدكتور تورشينوفيتش. مختبر في بيليفيلد، وأحد المؤلفين الرئيسيين للدراسة. "من ناحية، كلما زاد عدد الإلكترونات التي يمكن أن تتحرك استجابة للمجال الكهربائي المطبق، كلما كانت التيارات أقوى، مما ينبغي أن يعزز اللاخطية. ولكن من ناحية أخرى، كلما زاد عدد الإلكترونات الحرة المتاحة، كلما كان التفاعل بينها أقوى. "وهذا يكبت اللاخطية. لقد أثبتنا هنا - تجريبيًا ونظريًا على حد سواء - أنه من خلال تطبيق جهد خارجي ضعيف نسبيًا يبلغ بضعة فولتات فقط، يمكن إنشاء الظروف المثالية لأقوى أذنية غير خطية تيراهيرتز في الجرافين."

يقول البروفيسور الدكتور مايكل جينش من معهد البصريات: "من خلال هذا العمل، وصلنا إلى مرحلة مهمة على الطريق نحو استخدام الجرافين كمادة كمومية وظيفية غير خطية فعالة للغاية في أجهزة مثل محولات التردد والخلاطات وأجهزة التعديل". أنظمة الاستشعار التابعة لمركز الفضاء الألماني (DLR) وجامعة برلين التقنية، وهو الرئيس الآخر لهذه الدراسة. "هذا مهم للغاية لأن الجرافين متوافق تمامًا مع تكنولوجيا أشباه الموصلات الإلكترونية عالية التردد الحالية مثل CMOS أو Bi-CMOS. لذلك أصبح من الممكن الآن تصور أجهزة هجينة يتم فيها توليد الإشارة الكهربائية الأولية بتردد أقل باستخدام تكنولوجيا أشباه الموصلات الحالية ولكن يمكن بعد ذلك تحويلها بكفاءة عالية إلى ترددات T هرتز أعلى بكثير في الجرافين، وكل ذلك بطريقة يمكن التحكم فيها بشكل كامل ويمكن التنبؤ بها.

# # #

باحثون من جامعة بيليفيلد ، ومعهد أنظمة الاستشعار البصرية في DLR ، والجامعة التقنية في برلين ، ومركز هيلمهولتز دريسدن-روسندورف ، ومعهد ماكس بلانك لأبحاث البوليمرات في ألمانيا ، وكذلك المعهد الكتالوني لعلم النانو و شارك في هذه الدراسة تقنية النانو (ICN2) ومعهد العلوم الضوئية (ICFO) في إسبانيا.

####

لمزيد من المعلومات ، يرجى الضغط هنا

جهات الاتصال:
الأستاذ الدكتور ديمتري تورتشينوفيتش ، جامعة بيليفيلد
+49 521

تضمين التغريدة

حقوق النشر © جامعة بيليفيلد

إذا كان لديك تعليق ، من فضلك اتصل بنا لنا.

جهات إصدار النشرات الإخبارية ، وليس 7th Wave، Inc. أو Nanotechnology Now ، هي المسؤولة وحدها عن دقة المحتوى.

المرجعية: