Grafeen: alles onder controle: onderzoeksteam demonstreert controlemechanisme voor kwantummateriaal

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Home > Media > Grafeen: Alles onder controle: Onderzoeksteam demonstreert controlemechanisme voor kwantummateriaal

Professor Dr. Dmitry Turchinovich van de Universiteit van Bielefeld is een van de twee onderzoeksleiders. Hij onderzoekt hoe grafeen gebruikt kan worden in toekomstige elektrotechnische toepassingen. Foto: Universiteit Bielefeld/ M.-D. Müller CREDIT Foto: Universiteit Bielefeld/M.-D. Müller

Abstract:
Hoe kunnen grote hoeveelheden gegevens zo snel mogelijk worden overgedragen of verwerkt? Een sleutel hiervoor zou grafeen kunnen zijn. Het ultradunne materiaal is slechts één atoomlaag dik en de daarin aanwezige elektronen hebben door kwantumeffecten hele bijzondere eigenschappen. Het zou daarom zeer geschikt kunnen zijn voor gebruik in hoogwaardige elektronische componenten. Tot nu toe was er echter een gebrek aan kennis over hoe bepaalde eigenschappen van grafeen op de juiste manier kunnen worden gecontroleerd. Een nieuwe studie van een team wetenschappers uit Bielefeld en Berlijn, samen met onderzoekers van andere onderzoeksinstituten in Duitsland en Spanje, brengt hierin verandering. De bevindingen van het team zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.

Grafeen: alles onder controle: Onderzoeksteam demonstreert controlemechanisme voor kwantummateriaal

Bielefeld, Duitsland | Geplaatst op 9 april 2021

Grafeen bestaat uit koolstofatomen en is een materiaal van slechts één atoom dik, waarbij de atomen in een hexagonaal rooster zijn gerangschikt. Deze rangschikking van atomen resulteert in de unieke eigenschap van grafeen: de elektronen in dit materiaal bewegen alsof ze geen massa hebben. Dit "massaloze" gedrag van elektronen leidt tot een zeer hoge elektrische geleidbaarheid in grafeen en, belangrijker nog, deze eigenschap blijft behouden bij kamertemperatuur en onder omgevingsomstandigheden. Grafeen is daarom potentieel zeer interessant voor moderne elektronicatoepassingen.

Onlangs werd ontdekt dat grafeen door de hoge elektronische geleidbaarheid en het ‘massaloze’ gedrag van zijn elektronen de frequentiecomponenten van de elektrische stromen die er doorheen gaan, kan veranderen. Deze eigenschap is sterk afhankelijk van hoe sterk deze stroming is. In de moderne elektronica omvat een dergelijke niet-lineariteit een van de meest fundamentele functionaliteiten voor het schakelen en verwerken van elektrische signalen. Wat grafeen uniek maakt, is dat de niet-lineariteit ervan veruit de sterkste is van alle elektronische materialen. Bovendien werkt het heel goed voor uitzonderlijk hoge elektronische frequenties, die zich uitstrekken tot het technologisch belangrijke terahertz (THz) bereik waar de meeste conventionele elektronische materialen falen.

In hun nieuwe onderzoek heeft het team van onderzoekers uit Duitsland en Spanje aangetoond dat de niet-lineariteit van grafeen zeer efficiënt kan worden gecontroleerd door relatief bescheiden elektrische spanningen op het materiaal aan te leggen. Hiervoor vervaardigden de onderzoekers een apparaat dat lijkt op een transistor, waarbij via een reeks elektrische contacten een stuurspanning op grafeen kon worden aangelegd. Vervolgens werden met behulp van het apparaat ultrahoogfrequente THz-signalen verzonden: de transmissie en de daaropvolgende transformatie van deze signalen werden vervolgens geanalyseerd in relatie tot de aangelegde spanning. De onderzoekers ontdekten dat grafeen bij een bepaalde spanning bijna perfect transparant wordt - de normaal sterke niet-lineaire respons verdwijnt bijna. Door de spanning enigszins te verhogen of te verlagen vanaf deze kritische waarde, kan grafeen worden omgezet in een sterk niet-lineair materiaal, waardoor de sterkte en de frequentiecomponenten van de verzonden en uitgezonden THz-elektronische signalen aanzienlijk veranderen.

"Dit is een belangrijke stap voorwaarts in de richting van de implementatie van grafeen in toepassingen voor elektrische signaalverwerking en signaalmodulatie", zegt prof. Dmitry Turchinovich, een natuurkundige aan de Universiteit van Bielefeld en een van de hoofden van deze studie. ‘Eerder hadden we al aangetoond dat grafeen veruit het meest niet-lineaire functionele materiaal is dat we kennen. We begrijpen ook de fysica achter niet-lineariteit, dat nu bekend staat als het thermodynamische beeld van ultrasnel elektronentransport in grafeen. Maar tot nu toe wisten we niet hoe om deze niet-lineariteit onder controle te houden, wat de ontbrekende schakel was met betrekking tot het gebruik van grafeen in alledaagse technologieën."

"Door de stuurspanning op grafeen aan te leggen, konden we het aantal elektronen in het materiaal veranderen dat vrij kan bewegen wanneer er een elektrisch signaal op wordt toegepast", legt dr. Hassan A. Hafez uit, lid van het onderzoeksteam van professor dr. Turchinovich. laboratorium in Bielefeld, en een van de hoofdauteurs van de studie. "Aan de ene kant geldt dat hoe meer elektronen kunnen bewegen als reactie op het aangelegde elektrische veld, hoe sterker de stromen, wat de niet-lineariteit zou moeten versterken. Maar aan de andere kant, hoe meer vrije elektronen beschikbaar zijn, hoe sterker de interactie daartussen is, "Dit onderdrukt de niet-lineariteit. Hier hebben we zowel experimenteel als theoretisch aangetoond dat door het aanleggen van een relatief zwakke externe spanning van slechts een paar volt, de optimale omstandigheden voor de sterkste THz-niet-lineariteit in grafeen kunnen worden gecreëerd."

"Met dit werk hebben we een belangrijke mijlpaal bereikt op weg naar het gebruik van grafeen als een uiterst efficiënt niet-lineair functioneel kwantummateriaal in apparaten zoals THz-frequentieomvormers, mixers en modulators", zegt professor dr. Michael Gensch van het Institute of Optical. Sensorsystemen van het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR) en de Technische Universiteit van Berlijn, het andere hoofd van deze studie. "Dit is uiterst relevant omdat grafeen perfect compatibel is met bestaande elektronische ultrahoogfrequente halfgeleidertechnologie zoals CMOS of Bi-CMOS. Het is daarom nu mogelijk om hybride apparaten voor te stellen waarin het initiële elektrische signaal op een lagere frequentie wordt gegenereerd met behulp van bestaande halfgeleidertechnologie. maar kan dan zeer efficiënt worden omgezet naar veel hogere THz-frequenties in grafeen, alles op een volledig controleerbare en voorspelbare manier."

###

Onderzoekers van de Universiteit van Bielefeld, het Instituut voor Optische Sensorsystemen van de DLR, de Technische Universiteit van Berlijn, het Helmholtz Centrum Dresden-Rossendorf en het Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek in Duitsland, evenals het Catalaanse Instituut voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie (ICN2) en het Instituut voor Fotonische Wetenschappen (ICFO) in Spanje namen deel aan dit onderzoek.

####

Voor meer informatie, klik hier

Kontakte:
Professor Dr. Dmitry Turchinovich, Universiteit Bielefeld
49-521-106-5468

@uniaktuell

Auteursrecht © Universiteit Bielefeld

Als u een opmerking heeft, alstublieft Neem contact op met ons op.

Uitgevers van nieuwsberichten, niet 7th Wave, Inc. of Nanotechnology Now, zijn zelf verantwoordelijk voor de juistheid van de inhoud.

Bladwijzer: