Grafen: Allt under kontroll: Forskargruppen demonstrerar kontrollmekanism för kvantmaterial

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Hem > Presse > Grafen: Allt under kontroll: Forskargruppen demonstrerar kontrollmekanism för kvantmaterial

Professor Dr Dmitry Turchinovich vid Bielefeld University är en av de två studielederna. Han undersöker hur grafen kan användas i framtida elektrotekniska tillämpningar. Foto: Bielefeld University/ M.-D. Müller CREDIT Foto: Bielefeld University/M.-D. Müller

Sammanfattning:
Hur kan stora mängder data överföras eller bearbetas så snabbt som möjligt? En nyckel till detta kan vara grafen. Det ultratunna materialet är bara ett atomlager tjockt, och elektronerna det innehåller har mycket speciella egenskaper på grund av kvanteffekter. Den kan därför vara mycket väl lämpad för användning i högpresterande elektroniska komponenter. Fram till denna punkt har det dock saknats kunskap om hur man på lämpligt sätt kontrollerar vissa egenskaper hos grafen. En ny studie av ett team av forskare från Bielefeld och Berlin, tillsammans med forskare från andra forskningsinstitut i Tyskland och Spanien, ändrar detta. Teamets resultat har publicerats i tidskriften Science Advances.

Grafen: Allt under kontroll: Forskargruppen visar kontrollmekanism för kvantmaterial

Bielefeld, Tyskland | Postat den 9 april 2021

Bestående av kolatomer är grafen ett material bara en atom tjockt där atomerna är ordnade i ett hexagonalt gitter. Detta arrangemang av atomer är det som resulterar i grafens unika egenskap: elektronerna i detta material rör sig som om de inte hade massa. Detta "masslösa" beteende hos elektroner leder till mycket hög elektrisk ledningsförmåga i grafen och, viktigare, denna egenskap bibehålls vid rumstemperatur och under omgivande förhållanden. Grafen är därför potentiellt mycket intressant för moderna elektroniktillämpningar.

Det upptäcktes nyligen att dess elektroners höga elektroniska konduktivitet och "masslösa" beteende tillåter grafen att ändra frekvenskomponenterna för elektriska strömmar som passerar genom den. Denna egenskap är starkt beroende av hur stark denna ström är. I modern elektronik utgör en sådan olinjäritet en av de mest grundläggande funktionerna för omkoppling och bearbetning av elektriska signaler. Det som gör grafen unik är att dess olinjäritet är den överlägset starkaste av alla elektroniska material. Dessutom fungerar den mycket bra för exceptionellt höga elektroniska frekvenser, och sträcker sig in i det tekniskt viktiga terahertz-området (THz) där de flesta konventionella elektroniska material misslyckas.

I sin nya studie visade teamet av forskare från Tyskland och Spanien att grafens olinjäritet kan kontrolleras mycket effektivt genom att applicera jämförelsevis blygsamma elektriska spänningar på materialet. För detta tillverkade forskarna en enhet som liknade en transistor, där en styrspänning kunde appliceras på grafen via en uppsättning elektriska kontakter. Därefter överfördes ultrahögfrekventa THz-signaler med hjälp av enheten: överföringen och efterföljande transformation av dessa signaler analyserades sedan i förhållande till den pålagda spänningen. Forskarna fann att grafen blir nästan perfekt transparent vid en viss spänning - dess normalt starka olinjära svar nästan försvinner. Genom att något öka eller sänka spänningen från detta kritiska värde kan grafen omvandlas till ett starkt olinjärt material, vilket avsevärt förändrar styrkan och frekvenskomponenterna för de sända och remitterade elektroniska THz-signalerna.

"Detta är ett viktigt steg framåt mot implementering av grafen i elektrisk signalbehandling och signalmoduleringsapplikationer", säger Prof. Dmitry Turchinovich, fysiker vid Bielefeld University och en av cheferna för denna studie. "Tidigare hade vi redan visat att grafen är det överlägset mest olinjära funktionella materialet vi känner till. Vi förstår också fysiken bakom olinjäritet, som nu är känd som termodynamisk bild av ultrasnabb elektrontransport i grafen. Men hittills visste vi inte hur att kontrollera denna olinjäritet, som var den felande länken när det gäller att använda grafen i vardagliga teknologier."

"Genom att applicera styrspänningen på grafen kunde vi ändra antalet elektroner i materialet som kan röra sig fritt när den elektriska signalen appliceras på det", förklarar Dr Hassan A. Hafez, medlem av professor Dr. Turchinovichs lab i Bielefeld, och en av huvudförfattarna till studien. "Å ena sidan, ju fler elektroner som kan röra sig som svar på det pålagda elektriska fältet, desto starkare är strömmarna, vilket borde förstärka olinjäriteten. Men å andra sidan, ju fler fria elektroner som är tillgängliga, desto starkare är interaktionen mellan dem, och detta undertrycker olinjäriteten. Här visade vi - både experimentellt och teoretiskt - att genom att applicera en relativt svag extern spänning på bara några få volt kan de optimala förutsättningarna för den starkaste THz-icke-eariteten i grafen skapas."

"Med detta arbete har vi nått en viktig milstolpe på vägen mot att använda grafen som ett extremt effektivt icke-linjärt funktionellt kvantmaterial i enheter som THz-frekvensomvandlare, mixrar och modulatorer", säger professor Dr. Michael Gensch från Institute of Optical Sensor Systems från German Aerospace Center (DLR) och Technical University of Berlin, som är den andra chefen för denna studie. "Detta är extremt relevant eftersom grafen är perfekt kompatibel med befintlig elektronisk ultrahögfrekvent halvledarteknologi som CMOS eller Bi-CMOS. Det är därför nu möjligt att föreställa sig hybridenheter där den initiala elektriska signalen genereras vid lägre frekvens med hjälp av befintlig halvledarteknik men kan sedan mycket effektivt uppkonverteras till mycket högre THz-frekvenser i grafen, allt på ett fullt kontrollerbart och förutsägbart sätt."

# # #

Forskare från Bielefeld University, Institute of Optical Sensor Systems of DLR, Technical University of Berlin, Helmholtz Center Dresden-Rossendorf och Max Planck Institute for Polymer Research i Tyskland, samt Catalan Institute of Nanoscience och Nanotechnology (ICN2) och Institute of Photonic Sciences (ICFO) i Spanien deltog i denna studie.

####

För mer information, klicka på här.

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

@uniaktuell

Om du har en kommentar, snälla Kontakta oss oss.

Emittenter av nyhetsmeddelanden, inte 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, är ensamma ansvariga för innehållets noggrannhet.

Bokmärke: