Grafen: Alt under kontroll: Forskningsteamet demonstrerer kontrollmekanisme for kvantemateriale

Publisert av Platon

Følgere: 0

Hjemprodukt > Press > Grafen: Alt under kontroll: Forskningsteam demonstrerer kontrollmekanisme for kvantemateriale

Professor Dr. Dmitry Turchinovich ved Bielefeld University er en av de to studielederne. Han undersøker hvordan grafen kan brukes i fremtidige elektrotekniske applikasjoner. Foto: Bielefeld Universitet/ M.-D. Müller KREDITT Foto: Bielefeld University/M.-D. Müller

Abstrakt:
Hvordan kan store datamengder overføres eller behandles så raskt som mulig? En nøkkel til dette kan være grafen. Det ultratynne materialet er bare ett atomlag tykt, og elektronene det inneholder har helt spesielle egenskaper på grunn av kvanteeffekter. Den kan derfor være svært godt egnet for bruk i elektroniske komponenter med høy ytelse. Frem til dette punktet har det imidlertid vært mangel på kunnskap om hvordan man på passende måte kan kontrollere visse egenskaper til grafen. En ny studie utført av et team av forskere fra Bielefeld og Berlin, sammen med forskere fra andre forskningsinstitutter i Tyskland og Spania, endrer dette. Lagets funn er publisert i tidsskriftet Science Advances.

Grafen: Alt under kontroll: Forskerteamet demonstrerer kontrollmekanisme for kvantemateriale

Bielefeld, Tyskland | Lagt ut 9. april 2021

Bestående av karbonatomer, er grafen et materiale bare ett atom tykt der atomene er ordnet i et sekskantet gitter. Dette arrangementet av atomer er det som resulterer i grafens unike egenskap: elektronene i dette materialet beveger seg som om de ikke hadde masse. Denne "masseløse" oppførselen til elektroner fører til svært høy elektrisk ledningsevne i grafen og, viktigere, denne egenskapen opprettholdes ved romtemperatur og under omgivelsesforhold. Grafen er derfor potensielt veldig interessant for moderne elektronikkapplikasjoner.

Det ble nylig oppdaget at den høye elektroniske ledningsevnen og "masseløse" oppførselen til elektronene tillater grafen å endre frekvenskomponentene til elektriske strømmer som passerer gjennom den. Denne egenskapen er svært avhengig av hvor sterk denne strømmen er. I moderne elektronikk utgjør en slik ikke-linearitet en av de mest grunnleggende funksjonene for svitsjing og prosessering av elektriske signaler. Det som gjør grafen unik er at dets ikke-linearitet er den desidert sterkeste av alle elektroniske materialer. Dessuten fungerer den veldig bra for eksepsjonelt høye elektroniske frekvenser, og strekker seg inn i det teknologisk viktige terahertz-området (THz) der de fleste konvensjonelle elektroniske materialer svikter.

I sin nye studie demonstrerte teamet av forskere fra Tyskland og Spania at grafens ikke-linearitet kan kontrolleres veldig effektivt ved å bruke relativt beskjedne elektriske spenninger på materialet. For dette laget forskerne en enhet som ligner en transistor, der en kontrollspenning kunne påføres grafen via et sett med elektriske kontakter. Deretter ble ultrahøyfrekvente THz-signaler overført ved hjelp av enheten: overføringen og den påfølgende transformasjonen av disse signalene ble deretter analysert i forhold til spenningen som ble påført. Forskerne fant at grafen blir nesten perfekt gjennomsiktig ved en viss spenning - dens normalt sterke ikke-lineære responsen forsvinner nesten. Ved å øke eller senke spenningen litt fra denne kritiske verdien, kan grafen gjøres om til et sterkt ikke-lineært materiale, noe som betydelig endrer styrken og frekvenskomponentene til de overførte og remitterte elektroniske THz-signalene.

"Dette er et betydelig skritt fremover mot implementering av grafen i elektrisk signalbehandling og signalmodulasjonsapplikasjoner," sier professor Dmitry Turchinovich, fysiker ved Bielefeld University og en av lederne for denne studien. "Tidligere hadde vi allerede demonstrert at grafen er det desidert mest ikke-lineære funksjonelle materialet vi vet om. Vi forstår også fysikken bak ikke-linearitet, som nå er kjent som termodynamisk bilde av ultrarask elektrontransport i grafen. Men til nå visste vi ikke hvordan å kontrollere denne ikke-lineariteten, som var den manglende lenken med hensyn til bruk av grafen i dagligdagse teknologier."

"Ved å bruke kontrollspenningen på grafen, var vi i stand til å endre antall elektroner i materialet som kan bevege seg fritt når det elektriske signalet påføres det," forklarer Dr. Hassan A. Hafez, medlem av professor Dr. Turchinovichs lab i Bielefeld, og en av hovedforfatterne av studien. "På den ene siden, jo flere elektroner som kan bevege seg som svar på det påførte elektriske feltet, jo sterkere er strømmene, noe som burde forsterke ikke-lineariteten. Men på den andre siden, jo flere frie elektroner som er tilgjengelige, jo sterkere er interaksjonen mellom dem, og dette undertrykker ikke-lineariteten. Her demonstrerte vi - både eksperimentelt og teoretisk - at ved å bruke en relativt svak ytre spenning på bare noen få volt, kan de optimale forholdene for den sterkeste THz ikke-lineariteten i grafen skapes."

"Med dette arbeidet har vi nådd en viktig milepæl på veien mot å bruke grafen som et ekstremt effektivt ikke-lineært funksjonelt kvantemateriale i enheter som THz frekvensomformere, miksere og modulatorer," sier professor Dr. Michael Gensch fra Institute of Optical Sensor Systems fra German Aerospace Center (DLR) og Technical University of Berlin, som er den andre lederen av denne studien. "Dette er ekstremt relevant fordi grafen er perfekt kompatibel med eksisterende elektronisk ultrahøyfrekvent halvlederteknologi som CMOS eller Bi-CMOS. Det er derfor nå mulig å se for seg hybridenheter der det første elektriske signalet genereres ved lavere frekvens ved bruk av eksisterende halvlederteknologi men kan da meget effektivt oppkonverteres til mye høyere THz-frekvenser i grafen, alt på en fullt kontrollerbar og forutsigbar måte."

# # #

Forskere fra Bielefeld University, Institute of Optical Sensor Systems of DLR, Tech-nical University of Berlin, Helmholtz Center Dresden-Rossendorf, og Max Planck Institute for Polymer Research i Tyskland, samt Catalan Institute of Nanoscience og Nanoteknologi (ICN2) og Institute of Photonic Sciences (ICFO) i Spania deltok i denne studien.

####

For mer informasjon, klikk her.

Kontakter:
Professor Dr. Dmitry Turchinovich, Bielefeld University
49-521-106-5468

@uniaktuell

Hvis du har en kommentar, vær så snill Kontakt oss.

Utstedere av nyhetsutgivelser, ikke 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, er alene ansvarlig for nøyaktigheten av innholdet.

Bokmerke: