Graphene mahdollistaa kellotaajuudet terahertz-alueella

Looking Ahead 4 - Tomorrow's materials (Huhtikuu 2019).

Anonim

Grafeenia, joka on äärimmäinen materiaali, joka koostuu yhdestä kerroksesta toisiinsa liittyneistä hiiliatomista, pidetään lupaavana ehdokkaana tulevaisuuden nanoelektroniikalle. Teoriassa sen pitäisi antaa kellotaajuus jopa tuhat kertaa nopeammin kuin nykyinen piipohjainen elektroniikka. Tutkijat Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorfin (HZDR) ja Duisburg-Essenin yliopiston (UDE) yhteistyöstä Max Planck -instituutin kanssa polymeerityöhön (MPI-P) ovat nyt osoittaneet ensimmäistä kertaa, että grafienia voi todella muuntaa elektroniset signaalit, joilla on taajuudet gigahertz-alueella - jotka vastaavat nykypäivän kellotaajuuksia - erittäin tehokkaasti signaaleiksi, joilla on useita kertoja korkeampia taajuuksia. Tutkijat esittelevät tulokset tieteellisessä luonnossa.

Nykyiset pii-pohjaiset elektroniset komponentit toimivat useilla sata gigahertz (GHz) kellotaajuuksilla, eli ne vaihtelevat useita miljardeja sekunnissa. Elektroniikkateollisuus yrittää parhaillaan käyttää terahertssiä (THz), eli jopa tuhat kertaa nopeampia kellotaajuuksia. Litteä materiaali ja potentiaalinen silikonijäännös voisi olla grafienia, jolla on suuri sähkönjohtavuus ja joka on yhteensopiva kaikkien olemassa olevien elektronisten tekniikoiden kanssa. Erityisesti teoria on pitkään ennustanut, että grafienia voi olla erittäin tehokas "epälineaarinen" elektroninen materiaali eli materiaali, joka pystyy tehokkaasti muuntamaan sovitetun oskilloivan sähkömagneettisen kentän kenttiin, joilla on paljon suurempi taajuus. Kaikki kokeelliset pyrkimykset todistaa tämä vaikutus grageeniin viimeisten kymmenen vuoden aikana eivät kuitenkaan ole olleet onnistuneita.

"Olemme nyt pystyneet tarjoamaan ensimmäisen suoraa näyttöä taajuuslaskennasta gigahertzistä terahertsiin grabenin monolayerissa ja tuottamaan sähköisiä signaaleja terahertz-alueella huomattavan tehokkaasti", kertoo tohtori Michael Gensch, jonka ryhmä tekee tutkimusta ultranopeasta fysiikasta ja käyttää uutta TELBE terahertsin säteilylähdettä HZDR: ssä. Eikä sen lisäksi - niiden yhteistyökumppaneiden, jotka ovat Duisburg-Essenin yliopiston (UDE) yliopiston kokeellisen fyysikon professori Dmitri Turchinovichin - onnistuneet kuvaamaan mittaukset kvantitatiivisesti hyvin käyttäen yksinkertaista mallia, joka perustuu termodynamiikan fyysisiin perusperiaatteisiin.

Tämän läpimurron myötä tutkijat avaavat tietä ultranopealle grafeenipohjaiselle nanoelektroniikalle: "Emme pystyneet kokeilemaan vain pitkään ennustettua vaikutusta grafieenissa ensimmäistä kertaa, vaan myös ymmärtämään sitä kvantitatiivisesti hyvin samanaikaisesti, "korostaa professori Dmitry Turchinovich. "Laboratoriossamme olemme tutkineet grafeenin elektronisen epälineaarisuuden perusfysikaalisia mekanismeja jo useiden vuosien ajan, mutta valonlähteemme eivät kuitenkaan riittäneet havaitsemaan ja määrittämään taajuuksien moninkertaistumista puhtaina ja selkeinä, minkä vuoksi tarvittiin kokeellisia valmiuksia jotka ovat tällä hetkellä saatavilla vain TELBE-laitoksessa. "

Kauan odotettu kokeellinen todiste erittäin tehokkaasta terahertsin korkeasta harmonisesta generoinnista grafeenissa on onnistunut tempun avulla: Tutkijat käyttivät grafienia, joka sisältää monia vapaita elektroneja, jotka ovat peräisin grafeenin vuorovaikutuksesta substraatin kanssa, johon se talletetaan, samoin kuin ympäröivän ilman. Jos nämä liikkuvat elektronit kiihdyttävät värähtelevää sähkökenttää, ne jakavat energiansa hyvin nopeasti muiden elektronien kanssa grafiogeenissa, jotka sitten reagoivat paljon kuumennetun nesteen tavoin: Elektronisesta "nesteestä" kuvitteellisesti puhutaan elektroninen "höyry" grafeenissa. Vaihtuminen "nesteestä" "höyry" -vaiheeseen tapahtuu sekunnin biljoissa ja aiheuttaa erityisen nopeita ja voimakkaita muutoksia grafeenin johtokykyyn. Tämä on keskeinen vaikutus, joka johtaa tehokkaaseen taajuusmääritykseen.

Tutkijat käyttivät sähkömagneettisia pulsseja TELBE-laitokselta 300-680 GHz: n taajuuksilla ja konvertoivat ne grafeeniksi sähkömagneettisiksi pulsseiksi kolmen, viiden ja seitsemän kertaa alkuperäisellä taajuudella eli ylös-muunnettiin ne terahertsin taajuusalueelle. "Kolmannen, viidennen ja seitsemännen harmonisen taajuuden generoinnin tehokkuutta kuvaavat epälineaariset kertoimet olivat poikkeuksellisen korkeita", Turchinovich selittää. "Graphene on siis mahdollisesti elektroninen materiaali, jolla on tähän mennessä tunnetuin vahva epälineaarisuus. Mittausarvojen hyvä yhteensopivuus termodynamiikkamallimme kanssa viittaa siihen, että pystymme myös käyttämään sitä ennakoimaan ultranopeiden nanoelektronisten laitteiden ominaisuuksia,." Prof. Mischa Bonn, MPI-P: n johtaja, joka myös osallistui tähän työhön, korostaa: "Meidän keksintömme on uraauurtavaa. Olemme osoittaneet, että hiilipohjainen elektroniikka voi toimia erittäin tehokkaasti erittäin nopeilla nopeuksilla. ja perinteiset puolijohteet ovat myös mahdollisia. "

Koe suoritettiin käyttämällä uutta, suprajohtavaa ja kiihdyttimeen perustuvaa TELBE terahertsin säteilylähdettä ELBE-keskuksessa suuritehoisille säteilylähteille HZDR: ssä. Sen satakertainen suurempi pulssi verrattuna tyypillisiin laser-pohjaisiin terahertz-lähteisiin teki mittaustarkkuuden, joka oli tarpeen grabenin tutkimiseksi mahdolliseksi ensiksi. EU: n EUCALL-hankkeessa kehitetty tietojenkäsittelymenetelmä mahdollistaa tutkijoiden käyttämisen todellisuudessa mittausdatan avulla jokaisella 100 000 valopulssilla sekunnissa. "Meille ei ole huonoja tietoja", Gensch sanoo. "Koska pystymme mittaamaan jokaisen yksittäisen pulssin, saamme suuruusluokkaa mittaustarkkuudessa. Mittaustekniikan suhteen olemme raja-arvoina, mikä on tällä hetkellä mahdollista." Artikkelin ensimmäiset kirjoittajat ovat kaksi nuorta tutkijaa Hassan A. Hafez (UDE / MPI-P) ja Sergey Kovalev (HZDR).

menu
menu