Grafeeni: Kaikki hallinnassa: Tutkimusryhmä esittelee kvanttimateriaalin ohjausmekanismin

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Etusivu > 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:
Kuinka suuria määriä tietoja voidaan siirtää tai käsitellä mahdollisimman nopeasti? Yksi avain tähän voisi olla grafeeni. Erittäin ohut materiaali on vain yksi atomikerros paksu, ja sen sisältämillä elektronilla on kvanttivaikutusten takia hyvin erityisiä ominaisuuksia. Siksi se voisi soveltua hyvin käytettäväksi suuritehoisissa elektronisissa komponenteissa. Tähän asti on kuitenkin ollut puutetta tiedoista siitä, miten grafeenin tiettyjä ominaisuuksia voidaan hallita sopivasti. Bielefeldin ja Berliinin tutkijaryhmän uusi tutkimus yhdessä muiden Saksan ja Espanjan tutkimuslaitosten tutkijoiden kanssa muuttaa tätä. 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 ristikkoon. 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 pidetään huoneenlämmössä ja ympäröivissä olosuhteissa. Grafeeni on siksi mahdollisesti erittäin mielenkiintoinen nykyaikaisissa elektroniikkasovelluksissa.

Äskettäin havaittiin, että sen elektronien korkea elektroninen johtavuus ja "massaton" käyttäytyminen sallivat grafeenin muuttaa sen läpi kulkevien sähkövirtojen taajuuskomponentteja. Tämä ominaisuus riippuu suuresti tämän virran voimakkuudesta. Nykyaikaisessa elektroniikassa tällainen epälineaarisuus käsittää yhden perustoiminnoista sähköisten signaalien kytkemiseksi ja käsittelemiseksi. Grafeenin tekee ainutlaatuiseksi se, että sen epälineaarisuus on ylivoimaisesti vahvin kaikista elektronisista materiaaleista. Lisäksi se toimii erittäin hyvin poikkeuksellisen korkeilla elektronisilla taajuuksilla ja ulottuu teknisesti tärkeälle terahertsin (THz) alueelle, jossa useimmat tavanomaiset elektroniset materiaalit epäonnistuvat.

Uudessa tutkimuksessaan saksalaisten ja espanjalaisten tutkijoiden ryhmä osoitti, että grafeenin epälineaarisuutta voidaan hallita erittäin tehokkaasti soveltamalla materiaaliin suhteellisen vaatimattomia sähköjännitteitä. Tätä varten tutkijat valmistivat transistoria muistuttavan laitteen, jossa grafeeniin voitiin käyttää ohjausjännitettä sähkökontaktisarjan kautta. Sitten ultrakorkean taajuuden THz-signaalit lähetettiin laitteen avulla: näiden signaalien lähetys ja myöhempi muunnos analysoitiin sitten suhteessa käytettyyn jännitteeseen. Tutkijat havaitsivat, että grafeenista tulee melkein täysin läpinäkyvä tietyllä jännitteellä - sen normaalisti vahva epälineaarinen vaste melkein häviää. Nostamalla tai laskemalla jännitettä hieman tästä kriittisestä arvosta grafeeni voidaan muuttaa voimakkaasti epälineaariseksi materiaaliksi, mikä muuttaa merkittävästi lähetettyjen ja lähetettyjen THz-elektronisten signaalien voimakkuutta ja taajuuskomponentteja.

"Tämä on merkittävä askel eteenpäin kohti grafeenin käyttöönottoa sähköisessä signaalinkäsittelyssä ja signaalin moduloinnissa", sanoo professori Dmitry Turchinovich, Bielefeldin yliopiston fyysikko ja yksi tämän tutkimuksen johtajista. ”Aikaisemmin olimme jo osoittaneet, että grafeeni on ylivoimaisesti kaikkein epälineaarisin toiminnallinen materiaali, josta tiedämme. Ymmärrämme myös epälineaarisuuden takana olevan fysiikan, joka tunnetaan nyt termodynaamisena kuvana ultranopeasta elektronikuljetuksesta grafeenissa. Mutta toistaiseksi emme tienneet kuinka hallita tätä epälineaarisuutta, joka oli puuttuva linkki grafeenin käytössä jokapäiväisissä tekniikoissa. "

"Soveltamalla ohjausjännitettä grafeeniin pystyimme muuttamaan elektronin määrää materiaalissa, joka voi liikkua vapaasti, kun siihen syötetään sähköistä signaalia", kertoo tohtori Hassan A. Hafez, professori Turchinovichin jäsen. laboratorio Bielefeldissä, ja yksi tutkimuksen johtavista kirjoittajista. "Toisaalta, mitä enemmän elektroneja voi liikkua vasteena käytetylle sähkökentälle, sitä vahvemmat virrat, joiden pitäisi parantaa epälineaarisuutta. Mutta toisaalta, mitä enemmän vapaita elektroneja on saatavilla, sitä vahvempi niiden välinen vuorovaikutus on, ja tämä estää epälineaarisuuden. Tässä osoitimme - sekä kokeellisesti että teoreettisesti -, että soveltamalla suhteellisen heikkoa vain muutaman voltin ulkoista jännitettä voidaan luoda optimaaliset olosuhteet vahvimmalle THz: n epälineaaliselle grafeenille. "

"Tämän työn avulla olemme saavuttaneet tärkeän virstanpylvään kohti grafeenin käyttöä erittäin tehokkaana epälineaarisena funktionaalisena kvanttimateriaalina laitteissa, kuten THz-taajuusmuuttajat, sekoittimet ja modulaattorit", sanoo professori Michael Gensch Optisen instituutin Saksan ilmailukeskuksen (DLR) ja Berliinin teknillisen yliopiston anturijärjestelmät, joka on tämän tutkimuksen toinen johtaja. "Tämä on erittäin tärkeää, koska grafeeni on täysin yhteensopiva nykyisen elektronisen ultrakorkean taajuuden puolijohdetekniikan, kuten CMOS: n tai Bi-CMOS: n, kanssa. Siksi on nyt mahdollista kuvitella hybridilaitteita, joissa alkuperäinen sähköinen signaali syntyy matalammalla taajuudella olemassa olevaa puolijohdetekniikkaa käyttäen, mutta voidaan sitten muuntaa erittäin tehokkaasti paljon suuremmiksi THz-taajuuksiksi 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: