Grafen: Alt under kontrol: Forskerhold demonstrerer kontrolmekanisme for kvantemateriale

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Home > Presse > Grafen: Alt under kontrol: Forskerhold demonstrerer kontrolmekanisme for kvantemateriale

Professor Dr. Dmitry Turchinovich fra Bielefeld Universitet er en af de to undersøgelsesledere. Han undersøger, hvordan grafen kan bruges i fremtidige elektrotekniske applikationer. Foto: Bielefeld Universitet/ M.-D. Müller KREDIT Foto: Bielefeld Universitet/M.-D. Müller

Abstract:
Hvordan kan store mængder data overføres eller behandles så hurtigt som muligt? En nøgle til dette kunne være grafen. Det ultratynde materiale er kun ét atomlag tykt, og de elektroner, det indeholder, har helt særlige egenskaber på grund af kvanteeffekter. Det kunne derfor være meget velegnet til brug i højtydende elektroniske komponenter. Indtil nu har der dog været mangel på viden om, hvordan man på passende vis kan kontrollere visse egenskaber ved grafen. En ny undersøgelse foretaget af et hold videnskabsmænd fra Bielefeld og Berlin sammen med forskere fra andre forskningsinstitutter i Tyskland og Spanien ændrer på dette. Holdets resultater er blevet offentliggjort i tidsskriftet Science Advances.

Grafen: Alt under kontrol: Forskerhold demonstrerer kontrolmekanisme for kvantemateriale

Bielefeld, Tyskland | Udgivet den 9. april 2021

Bestående af kulstofatomer er grafen et materiale kun et atom tykt, hvor atomerne er arrangeret i et sekskantet gitter. Dette arrangement af atomer er det, der resulterer i grafens unikke egenskab: elektronerne i dette materiale bevæger sig, som om de ikke havde masse. Denne "masseløse" opførsel af elektroner fører til meget høj elektrisk ledningsevne i grafen, og, hvad der er vigtigt, opretholdes denne egenskab ved stuetemperatur og under omgivende forhold. Grafen er derfor potentielt meget interessant til moderne elektronikapplikationer.

Det blev for nylig opdaget, at dens elektroners høje elektroniske ledningsevne og "masseløse" opførsel gør det muligt for grafen at ændre frekvenskomponenterne af elektriske strømme, der passerer gennem det. Denne egenskab er meget afhængig af, hvor stærk denne strøm er. I moderne elektronik omfatter en sådan ikke-linearitet en af de mest basale funktioner til omskiftning og behandling af elektriske signaler. Det, der gør grafen unik, er, at dets ikke-linearitet er langt det stærkeste af alle elektroniske materialer. Desuden fungerer det meget godt til usædvanligt høje elektroniske frekvenser, og strækker sig ind i det teknologisk vigtige terahertz (THz) område, hvor de fleste konventionelle elektroniske materialer fejler.

I deres nye undersøgelse viste forskerholdet fra Tyskland og Spanien, at grafens ikke-linearitet kan kontrolleres meget effektivt ved at anvende forholdsvis beskedne elektriske spændinger på materialet. Til dette fremstillede forskerne en enhed, der ligner en transistor, hvor en styrespænding kunne påføres grafen via et sæt elektriske kontakter. Derefter blev ultrahøjfrekvente THz-signaler transmitteret ved hjælp af enheden: transmissionen og den efterfølgende transformation af disse signaler blev derefter analyseret i forhold til den påførte spænding. Forskerne fandt ud af, at grafen bliver næsten perfekt gennemsigtig ved en bestemt spænding - dets normalt stærke ikke-lineære respons forsvinder næsten. Ved let at øge eller sænke spændingen fra denne kritiske værdi, kan grafen omdannes til et stærkt ikke-lineært materiale, hvilket væsentligt ændrer styrken og frekvenskomponenterne af de transmitterede og remitterede THz elektroniske signaler.

"Dette er et væsentligt skridt fremad mod implementering af grafen i elektrisk signalbehandling og signalmodulationsapplikationer," siger prof. Dmitry Turchinovich, fysiker ved Bielefeld Universitet og en af lederne af denne undersøgelse. "Tidligere havde vi allerede demonstreret, at grafen er langt det mest ikke-lineære funktionelle materiale, vi kender til. Vi forstår også fysikken bag ikke-linearitet, som nu er kendt som termodynamisk billede af ultrahurtig elektrontransport i grafen. Men indtil nu vidste vi ikke, hvordan at kontrollere denne ikke-linearitet, som var det manglende led med hensyn til at bruge grafen i dagligdags teknologier."

"Ved at anvende kontrolspændingen på grafen var vi i stand til at ændre antallet af elektroner i materialet, der kan bevæge sig frit, når det elektriske signal påføres det," forklarer Dr. Hassan A. Hafez, medlem af professor Dr. Turchinovichs lab i Bielefeld, og en af hovedforfatterne af undersøgelsen. "På den ene side er det sådan, at jo flere elektroner, der kan bevæge sig som reaktion på det påførte elektriske felt, jo stærkere er strømmene, hvilket skulle forstærke ikke-lineariteten. Men på den anden side, jo flere frie elektroner der er til rådighed, jo stærkere er interaktionen mellem dem, jo flere elektroner, der kan bevæge sig som reaktion på det påførte elektriske felt, desto stærkere er strømmene, hvilket skulle forstærke ulineariteten. og det undertrykker ikke-lineariteten. Her demonstrerede vi - både eksperimentelt og teoretisk - at ved at påføre en relativt svag ekstern spænding på kun nogle få volt, kan de optimale betingelser for den stærkeste THz non-linearitet i grafen skabes."

"Med dette arbejde har vi nået en vigtig milepæl på vejen mod at bruge grafen som et ekstremt effektivt ikke-lineært funktionelt kvantemateriale i enheder som THz frekvensomformere, mixere og modulatorer," siger professor Dr. Michael Gensch fra Institute of Optical Sensor Systems fra German Aerospace Center (DLR) og Technical University of Berlin, som er den anden leder af denne undersøgelse. "Dette er yderst relevant, fordi grafen er perfekt kompatibel med eksisterende elektronisk ultrahøjfrekvent halvlederteknologi som CMOS eller Bi-CMOS. Det er derfor nu muligt at forestille sig hybride enheder, hvor det indledende elektriske signal genereres ved lavere frekvens ved hjælp af eksisterende halvlederteknologi men kan så meget effektivt opkonverteres til meget højere THz-frekvenser i grafen, alt sammen på en fuldt kontrollerbar og forudsigelig måde."

###

Forskere fra Bielefeld Universitet, Institut for Optiske Sensorsystemer i DLR, Tekniske Universitet i Berlin, Helmholtz Center Dresden-Rossendorf og Max Planck Institut for Polymerforskning i Tyskland, samt Catalan Institute of Nanoscience og Nanoteknologi (ICN2) og Institute of Photonic Sciences (ICFO) i Spanien deltog i denne undersøgelse.

####

For mere information, klik link.

Kontaktpersoner:
Professor Dr. Dmitry Turchinovich, Bielefeld Universitet
49-521-106-5468

@uniaktuel

Hvis du har en kommentar, tak Kontakt os.

Udstedere af nyhedsudgivelser, ikke 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, er alene ansvarlige for indholdets nøjagtighed.

Bogmærke: