Grafeeni: Kaikki hallinnassa: Tutkimusryhmä esittelee kvanttimateriaalin ohjausmekanismin

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Koti > lehdistö > Grafeeni: Kaikki hallinnassa: Tutkimusryhmä osoittaa kvanttimateriaalin ohjausmekanismin

Bielefeldin yliopiston professori Dr. Dmitry Turchinovich on yksi kahdesta tutkimuksen johtajasta. Hän tutkii, miten grafeenia voidaan käyttää tulevissa sähkötekniikan sovelluksissa. Kuva: Bielefeldin yliopisto / M.-D. Müller CREDIT Kuva: Bielefeldin yliopisto / M.-D. Müller

Tiivistelmä:
Miten suuria tietomääriä voidaan siirtää tai käsitellä mahdollisimman nopeasti? Yksi avain tähän voisi olla grafeeni. Ultraohut materiaali on vain yhden atomikerroksen paksuinen, ja sen sisältämillä elektroneilla on kvanttiefektien vuoksi hyvin erityisiä ominaisuuksia. Siksi se voisi sopia erittäin hyvin käytettäväksi korkean suorituskyvyn elektronisissa komponenteissa. Tähän asti on kuitenkin ollut puutetta siitä, kuinka grafeenin tiettyjä ominaisuuksia voidaan hallita sopivasti. Bielefeldistä ja berliiniläisistä tutkijoista koostuvan uusi tutkimus yhdessä muiden Saksan ja Espanjan tutkimuslaitosten tutkijoiden kanssa muuttaa tämän. Ryhmän havainnot on julkaistu Science Advances -lehdessä.

Grafeeni: Kaikki hallinnassa: Tutkimusryhmä osoittaa kvanttimateriaalin ohjausmekanismin

Bielefeld, Saksa | Lähetetty 9. huhtikuuta 2021

Hiiliatomeista koostuva grafeeni on vain yhden atomin paksuinen materiaali, jossa atomit on järjestetty kuusikulmaiseen hilaan. Tämä atomien järjestely johtaa grafeenin ainutlaatuiseen ominaisuuteen: tämän materiaalin elektronit liikkuvat ikään kuin niillä ei olisi massaa. Tämä elektronien "massaton" käyttäytyminen johtaa erittäin korkeaan sähkönjohtavuuteen grafeenissa, ja mikä tärkeintä, tämä ominaisuus säilyy huoneenlämpötilassa ja ympäristön olosuhteissa. Grafeeni on siksi potentiaalisesti erittäin mielenkiintoinen nykyaikaisissa elektroniikkasovelluksissa.

Äskettäin havaittiin, että sen elektronien korkea elektronijohtavuus ja "massaton" käyttäytyminen sallivat grafeenin muuttaa sen läpi kulkevien sähkövirtojen taajuuskomponentteja. Tämä ominaisuus riippuu suuresti tämän virran voimakkuudesta. Nykyaikaisessa elektroniikassa tällainen epälineaarisuus on yksi perustoiminnoista sähköisten signaalien kytkemiseen ja käsittelyyn. Grafeenista ainutlaatuisen tekee se, että sen epälineaarisuus on ylivoimaisesti vahvin kaikista elektronisista materiaaleista. Lisäksi se toimii erittäin hyvin poikkeuksellisen korkeilla elektronisilla taajuuksilla ja ulottuu teknisesti tärkeälle terahertsialueelle (THz), jossa useimmat tavanomaiset elektroniset materiaalit epäonnistuvat.

Uudessa tutkimuksessaan saksalainen ja espanjalainen tutkijaryhmä osoitti, että grafeenin epälineaarisuutta voidaan hallita erittäin tehokkaasti käyttämällä materiaaliin suhteellisen vaatimattomia sähköjännitteitä. Tätä varten tutkijat valmistivat transistoria muistuttavan laitteen, jossa ohjausjännite voitiin syöttää grafeeniin sähkökoskettimien avulla. Sitten laitteella lähetettiin ultrakorkeataajuisia THz-signaaleja: sitten näiden signaalien lähetys ja myöhempi muunnos analysoitiin suhteessa käytettyyn jännitteeseen. Tutkijat havaitsivat, että grafeeni muuttuu lähes täydellisesti läpinäkyväksi tietyllä jännitteellä - sen normaalisti vahva epälineaarinen vaste melkein katoaa. Nostamalla tai laskemalla hieman jännitettä tästä kriittisestä arvosta, grafeeni voidaan muuttaa voimakkaasti epälineaariseksi materiaaliksi, mikä muuttaa merkittävästi lähetettyjen ja lähetettyjen THz:n elektronisten signaalien voimakkuutta ja taajuuskomponentteja.

"Tämä on merkittävä askel eteenpäin kohti grafeenin käyttöönottoa sähköisissä signaalinkäsittely- ja signaalimodulaatiosovelluksissa", sanoo prof. Dmitry Turchinovich, fyysikko Bielefeldin yliopistosta ja yksi tämän tutkimuksen johtajista. "Olimme jo aiemmin osoittaneet, että grafeeni on ylivoimaisesti epälineaarisin toiminnallinen materiaali, jonka tiedämme. Ymmärrämme myös epälineaarisuuden taustalla olevan fysiikan, joka tunnetaan nykyään termodynaamisena kuvana ultranopeasta elektronien kuljetuksesta grafeenissa. Mutta tähän asti emme tienneet, miten hallita tätä epälineaarisuutta, joka oli puuttuva lenkki grafeenin käytössä jokapäiväisissä teknologioissa."

"Soveltamalla ohjausjännitettä grafeeniin pystyimme muuttamaan niiden elektronien määrää materiaalissa, jotka voivat liikkua vapaasti, kun siihen kohdistetaan sähköinen signaali", selittää tohtori Hassan A. Hafez, professori Dr. Turchinovichin jäsen. Lab Bielefeldissä ja yksi tutkimuksen päätekijöistä. "Yhtäältä mitä enemmän elektroneja voi liikkua vasteena käytetylle sähkökentälle, sitä voimakkaammat ovat virrat, minkä pitäisi lisätä epälineaarisuutta. Mutta toisaalta, mitä enemmän vapaita elektroneja on saatavilla, sitä voimakkaampi niiden välinen vuorovaikutus on, ja tämä vaimentaa epälineaarisuutta. Tässä osoitimme - sekä kokeellisesti että teoreettisesti - että käyttämällä suhteellisen heikkoa, vain muutaman voltin ulkoista jännitettä, voidaan luoda optimaaliset olosuhteet grafeenin voimakkaimmalle THz:n epälinja-eariteettille."

"Tällä työllä olemme saavuttaneet tärkeän virstanpylvään tiellä kohti grafeenin käyttöä erittäin tehokkaana epälineaarisena toiminnallisena kvanttimateriaalina laitteissa, kuten THz-taajuusmuuttajat, sekoittimet ja modulaattorit", sanoo professori tohtori Michael Gensch Institute of Opticalista. Sensor Systems Saksan ilmailukeskuksesta (DLR) ja Berliinin teknisestä yliopistosta, joka on tämän tutkimuksen toinen johtaja. "Tämä on äärimmäisen tärkeää, koska grafeeni on täysin yhteensopiva nykyisen elektronisen ultrakorkeataajuisen puolijohdeteknologian, kuten CMOS tai Bi-CMOS, kanssa. Siksi nyt on mahdollista kuvitella hybridilaitteita, joissa alkuperäinen sähköinen signaali tuotetaan pienemmällä taajuudella käyttämällä olemassa olevaa puolijohdeteknologiaa. mutta se voidaan sitten erittäin tehokkaasti muuntaa paljon korkeammille THz-taajuuksille grafeenissa, kaikki täysin hallittavalla ja ennustettavalla tavalla."

###

Tutkijat Bielefeldin yliopistosta, DLR: n optisten anturijärjestelmien instituutista, Berliinin teknillisestä yliopistosta, Helmholtz Center Dresden-Rossendorfista ja Max Planckin polymeeritutkimuslaitoksesta Saksassa sekä Katalonian instituutista Nanotiede ja Nanoteknologia (ICN2) ja Fototieteiden instituutti (ICFO) Espanjassa osallistuivat tähän tutkimukseen.

####

Saat lisätietoja napsauttamalla tätä

Yhteydet:
Professori Dr. Dmitry Turchinovich, Bielefeldin yliopisto
49-521-106-5468

@uniaktuell

Tekijänoikeus © Bielefeld University

Jos sinulla on kommentteja, kiitos Ota yhteyttä meille.

Lehdistötiedotteiden liikkeeseenlaskijat, eivät 7th Wave, Inc. tai Nanotechnology Now, ovat yksin vastuussa sisällön oikeellisuudesta.

Kirjanmerkki: