그래핀: 모든 것이 제어됨: 연구팀, 양자 물질의 제어 메커니즘 시연

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빌레펠트 대학교의 Dmitry Turchinovich 교수는 두 연구 리더 중 한 명입니다. 그는 그래핀이 미래의 전기 공학 응용 분야에 어떻게 사용될 수 있는지 조사합니다. 사진: 빌레펠트 대학교/M.-D. Müller 신용 사진: Bielefeld University/M.-D. 뮐러

요약 :
대량의 데이터를 최대한 빨리 전송하거나 처리하려면 어떻게 해야 합니까? 이에 대한 한 가지 핵심은 그래핀일 수 있습니다. 초박형 물질은 두께가 원자층 1개에 불과하며, 여기에 포함된 전자는 양자 효과로 인해 매우 특별한 특성을 갖습니다. 따라서 고성능 전자 부품에 사용하기에 매우 적합할 수 있습니다. 그러나 지금까지는 그래핀의 특정 특성을 적절하게 제어하는 방법에 대한 지식이 부족했습니다. 빌레펠트와 베를린의 과학자 팀이 독일과 스페인의 다른 연구 기관의 연구원들과 함께 진행한 새로운 연구는 이러한 상황을 바꾸고 있습니다. 팀의 연구 결과는 Science Advances 저널에 게재되었습니다.

그래 핀 : 제어중인 모든 것 : 연구팀이 양자 물질에 대한 제어 메커니즘을 시연합니다.

독일 빌레펠트 | 게시일: 9년 2021월 XNUMX일

탄소 원자로 구성된 그래핀은 원자 1개의 두께가 육각형 격자로 배열되어 있는 물질입니다. 이러한 원자 배열은 그래핀의 독특한 특성을 가져옵니다. 이 물질의 전자는 마치 질량이 없는 것처럼 움직입니다. 전자의 이러한 "무질량" 거동은 그래핀의 매우 높은 전기 전도성을 가져오며, 중요한 것은 이 특성이 실온 및 주변 조건에서 유지된다는 것입니다. 따라서 그래핀은 현대 전자 응용 분야에서 잠재적으로 매우 흥미로울 수 있습니다.

높은 전자 전도도와 전자의 "무질량" 거동으로 인해 그래핀이 이를 통과하는 전류의 주파수 성분을 변경할 수 있다는 사실이 최근에 발견되었습니다. 이 속성은 전류가 얼마나 강한지에 따라 크게 달라집니다. 현대 전자 장치에서 이러한 비선형성은 전기 신호의 전환 및 처리를 위한 가장 기본적인 기능 중 하나로 구성됩니다. 그래핀을 독특하게 만드는 것은 모든 전자 재료 중에서 비선형성이 가장 강력하다는 것입니다. 더욱이 이는 예외적으로 높은 전자 주파수에 매우 잘 작동하여 대부분의 기존 전자 재료가 실패하는 기술적으로 중요한 테라헤르츠(THz) 범위까지 확장됩니다.

새로운 연구에서 독일과 스페인 연구진은 그래핀의 비선형성이 재료에 비교적 적당한 전압을 가함으로써 매우 효율적으로 제어될 수 있음을 보여주었습니다. 이를 위해 연구진은 일련의 전기 접점을 통해 그래핀에 제어 전압을 가할 수 있는 트랜지스터와 유사한 장치를 제조했습니다. 그런 다음 초고주파 THz 신호가 장치를 사용하여 전송되었습니다. 그런 다음 이러한 신호의 전송 및 후속 변환이 적용된 전압과 관련하여 분석되었습니다. 연구진은 그래핀이 특정 전압에서 거의 완벽하게 투명해지며, 일반적으로 강한 비선형 반응이 거의 사라지는 것을 발견했습니다. 이 임계값에서 전압을 약간 높이거나 낮춤으로써 그래핀은 강한 비선형 물질로 전환되어 전송 및 전송되는 THz 전자 신호의 강도와 주파수 구성 요소를 크게 변경할 수 있습니다.

"이것은 전기 신호 처리 및 신호 변조 응용 분야에서 그래핀 구현을 향한 중요한 진전입니다"라고 빌레펠트 대학의 물리학자이자 이 연구의 책임자 중 한 명인 Dmitry Turchinovich 교수는 말했습니다. "이전에 우리는 그래핀이 우리가 알고 있는 가장 비선형적인 기능성 물질이라는 것을 이미 입증했습니다. 우리는 또한 현재 그래핀의 초고속 전자 수송에 대한 열역학적 그림으로 알려진 비선형 뒤에 숨은 물리학을 이해하고 있습니다. 그러나 지금까지 우리는 방법을 몰랐습니다. 일상 기술에서 그래핀을 사용하는 데 있어 누락된 연결고리였던 이러한 비선형성을 제어하는 것입니다."

"그래핀에 제어 전압을 적용함으로써 우리는 전기 신호가 적용될 때 자유롭게 이동할 수 있는 물질의 전자 수를 변경할 수 있었습니다."라고 Turchinovich 박사의 일원인 Hassan A. Hafez 박사는 설명합니다. 빌레펠트 연구실이자 연구의 주요 저자 중 한 명입니다. "한편으로는인가된 전기장에 반응하여 더 많은 전자가 움직일 수 있을수록 전류가 더 강해지며 이는 비선형성을 향상시켜야 합니다. 그러나 다른 한편으로는 더 많은 자유 전자를 사용할 수 있을수록 그들 사이의 상호 작용은 더 강해집니다. 여기서 우리는 실험적으로나 이론적으로 단지 몇 볼트의 상대적으로 약한 외부 전압을 적용함으로써 그래핀에서 가장 강한 THz 비선형성을 위한 최적의 조건이 생성될 수 있음을 입증했습니다."

"이 연구를 통해 우리는 THz 주파수 변환기, 혼합기 및 변조기와 같은 장치에서 매우 효율적인 비선형 기능성 양자 재료로 그래핀을 사용하는 경로에서 중요한 이정표에 도달했습니다."라고 광학 연구소의 Michael Gensch 교수는 말합니다. 이번 연구의 또 다른 책임자인 독일 항공우주센터(DLR)와 베를린 공과대학의 센서 시스템. "그래핀은 CMOS 또는 Bi-CMOS와 같은 기존 전자 초고주파 반도체 기술과 완벽하게 호환되기 때문에 이는 매우 관련성이 높습니다. 따라서 이제 기존 반도체 기술을 사용하여 초기 전기 신호가 더 낮은 주파수에서 생성되는 하이브리드 장치를 구상하는 것이 가능합니다. 그러나 완전히 제어 가능하고 예측 가능한 방식으로 그래핀에서 훨씬 더 높은 THz 주파수로 매우 효율적으로 상향 변환될 수 있습니다."

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빌레펠트 대학교, DLR 광학 센서 시스템 연구소, 베를린 공과대학교, 드레스덴-로센도르프 헬름홀츠 센터, 독일 막스 플랑크 고분자 연구소, 카탈로니아 나노과학 연구소의 연구원 이번 연구에는 나노기술(ICN2)과 스페인의 광과학 연구소(ICFO)가 참여했습니다.

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연락처 :
빌레펠트 대학교 Dr. Dmitry Turchinovich 교수
49-521-106

@uniaktuell

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