גרפן: הכל בשליטה: צוות מחקר מדגים מנגנון בקרה עבור חומר קוונטי

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

עמוד הבית > חדשות ועדכונים > גרפן: הכל בשליטה: צוות המחקר מדגים מנגנון בקרה על חומר קוונטי

פרופסור ד"ר דמיטרי טורצ'ינוביץ' מאוניברסיטת בילפלד הוא אחד משני מובילי המחקר. הוא חוקר כיצד ניתן להשתמש בגרפן ביישומי הנדסת חשמל עתידיים. צילום: אוניברסיטת בילפלד/ M.-D. מולר קרדיט צילום: אוניברסיטת בילפלד/M.-D. מולר

תקציר:
כיצד ניתן להעביר או לעבד כמויות גדולות של נתונים במהירות האפשרית? מפתח אחד לכך יכול להיות גרפן. החומר הדק במיוחד בעובי שכבה אטומית אחת בלבד, והאלקטרונים שהוא מכיל הם בעלי תכונות מיוחדות מאוד בשל השפעות קוונטיות. לכן זה יכול להיות מתאים מאוד לשימוש ברכיבים אלקטרוניים בעלי ביצועים גבוהים. אולם עד לנקודה זו, היה חוסר ידע כיצד לשלוט כראוי בתכונות מסוימות של גרפן. מחקר חדש של צוות מדענים מבילפלד וברלין, יחד עם חוקרים ממכוני מחקר אחרים בגרמניה ובספרד, משנה זאת. ממצאי הצוות פורסמו בכתב העת Science Advances.

גרפן: כל מה שנמצא בשליטה: צוות המחקר מדגים מנגנון בקרה לחומר קוונטי

בילפלד, גרמניה | פורסם ב-9 באפריל, 2021

המורכב מאטומי פחמן, גרפן הוא חומר בעובי של אטום אחד בלבד שבו האטומים מסודרים בסריג משושה. סידור האטומים הזה הוא מה שמביא לתכונה הייחודית של הגרפן: האלקטרונים בחומר הזה נעים כאילו אין להם מסה. התנהגות "חסרת מסה" זו של אלקטרונים מובילה למוליכות חשמלית גבוהה מאוד בגרפן, וחשוב מכך, תכונה זו נשמרת בטמפרטורת החדר ובתנאי הסביבה. לכן גרפן עשוי להיות מעניין מאוד עבור יישומי אלקטרוניקה מודרניים.

לאחרונה התגלה שהמוליכות האלקטרונית הגבוהה וההתנהגות "חסרת המסה" של האלקטרונים שלו מאפשרת לגרפן לשנות את מרכיבי התדר של זרמים חשמליים העוברים דרכו. מאפיין זה תלוי מאוד בעוצמת הזרם הזה. באלקטרוניקה מודרנית, אי-לינאריות כזו מהווה את אחת הפונקציות הבסיסיות ביותר עבור מיתוג ועיבוד של אותות חשמליים. מה שמייחד את הגרפן הוא שהאי-לינאריות שלו היא ללא ספק החזקה מכל החומרים האלקטרוניים. יתר על כן, זה עובד טוב מאוד עבור תדרים אלקטרוניים גבוהים במיוחד, ומשתרע לטווח הטרה-הרץ החשוב מבחינה טכנולוגית (THz) שבו רוב החומרים האלקטרוניים הקונבנציונליים נכשלים.

במחקר החדש שלהם, צוות החוקרים מגרמניה וספרד הוכיח שניתן לשלוט ביעילות רבה על חוסר הלינאריות של הגרפן על ידי הפעלת מתחים חשמליים צנועים יחסית לחומר. לשם כך ייצרו החוקרים מכשיר הדומה לטרנזיסטור, שבו ניתן להפעיל מתח בקרה על גרפן באמצעות סט מגעים חשמליים. לאחר מכן, אותות THz בתדר גבוה במיוחד שודרו באמצעות המכשיר: השידור וההמרה שלאחר מכן של אותות אלה נותחו ביחס למתח המופעל. החוקרים גילו שגרפן הופך שקוף כמעט לחלוטין במתח מסוים - התגובה הלא לינארית החזקה שלו בדרך כלל כמעט נעלמת. על ידי הגדלת או הורדה קלה של המתח מערך קריטי זה, ניתן להפוך את הגרפן לחומר לא ליניארי חזק, ולשנות באופן משמעותי את העוצמה ואת מרכיבי התדר של האותות האלקטרוניים THz המשודרים והמועברים.

"זהו צעד משמעותי קדימה לקראת יישום של גרפן ביישומי עיבוד אותות חשמליים ואפונון אותות", אומר פרופ' דמיטרי טורצ'ינוביץ', פיזיקאי באוניברסיטת בילפלד ואחד מראשי המחקר הזה. "קודם לכן כבר הוכחנו שגרפן הוא ללא ספק החומר הפונקציונלי הלא-ליניארי ביותר שאנו מכירים. אנו מבינים גם את הפיזיקה מאחורי אי-לינאריות, אשר ידועה כיום כתמונה תרמודינמית של הובלה מהירה של אלקטרונים בגרפן. אבל עד עכשיו לא ידענו כיצד לשלוט באי-לינאריות הזו, שהייתה החוליה החסרה ביחס לשימוש בגרפן בטכנולוגיות יומיומיות".

"על ידי הפעלת מתח הבקרה על גרפן, הצלחנו לשנות את מספר האלקטרונים בחומר שיכול לנוע בחופשיות כאשר האות החשמלי מופעל עליו", מסביר ד"ר חסן א. חאפז, חבר בארגון פרופסור ד"ר טורצ'ינוביץ'. מעבדה בבילפלד, ואחד הכותבים הראשיים של המחקר. "מצד אחד, ככל שיותר אלקטרונים יכולים לנוע בתגובה לשדה החשמלי המופעל, כך הזרמים חזקים יותר, מה שאמור לשפר את האי-לינאריות. אבל מצד שני, ככל שיש יותר אלקטרונים חופשיים, כך האינטראקציה ביניהם חזקה יותר, וזה מדכא את האי-ליניאריות. כאן הדגמנו - הן בניסוי והן בתיאוריה - שעל ידי הפעלת מתח חיצוני חלש יחסית של וולט בודדים בלבד, ניתן ליצור את התנאים האופטימליים לארעיות ה-THz החזקה ביותר בגרפן."

"עם העבודה הזו, הגענו לאבן דרך חשובה בדרך לשימוש בגרפן כחומר קוונטי פונקציונלי לא ליניארי יעיל ביותר במכשירים כמו ממירי תדר THz, מיקסרים ומאפננים", אומר פרופסור ד"ר מייקל גנש מהמכון לאופטיקה. מערכות חיישנים של מרכז התעופה והחלל הגרמני (DLR) והאוניברסיטה הטכנית של ברלין, שהוא האחראי השני של המחקר הזה. "זה רלוונטי ביותר מכיוון שהגרפן תואם באופן מושלם לטכנולוגיית מוליכים למחצה אלקטרונית אולטרה-גבוהה קיימת כגון CMOS או Bi-CMOS. לכן ניתן כעת לדמיין מכשירים היברידיים שבהם האות החשמלי הראשוני נוצר בתדר נמוך יותר באמצעות טכנולוגיית מוליכים למחצה הקיימת. אבל לאחר מכן ניתן להמיר ביעילות רבה לתדרי THz גבוהים בהרבה בגרפן, והכל בצורה ניתנת לשליטה וניתנת לחיזוי".

# # #

חוקרים מאוניברסיטת בילפלד, המכון למערכות חיישנים אופטיות של ה-DLR, האוניברסיטה הטכנית של ברלין, מרכז הלמהולץ דרזדן-רוסנדורף ומכון מקס פלנק לחקר פולימרים בגרמניה, כמו גם המכון הקטלאני למדעי הננו ו ננוטכנולוגיה (ICN2) והמכון למדעי פוטוניים (ICFO) בספרד השתתפו במחקר זה.

####

לקבלת מידע נוסף, לחץ על כאן

ליצירת קשר:
פרופסור ד"ר דמיטרי טורצ'ינוביץ', אוניברסיטת בילפלד
49-521-106-5468

@uniaktuell

זכויות יוצרים © אוניברסיטת בילפלד

אם יש לך תגובה בבקשה צרו קשר שלנו.

מנפיקי מהדורות חדשות, לא 7th Wave, Inc. או Nanotechnology Now, אחראים בלעדית לדיוק התוכן.

הפוך: