Graphene muliggjør klokkefrekvenser i terahertz-serien

Anonim

Grafen-et ultratynt materiale bestående av et enkelt lag av sammenkoblede karbonatomer-betraktes som en lovende kandidat for fremtidens nanoelektronikk. I teorien bør det tillate klokkefrekvenser opptil tusen ganger raskere enn dagens silisiumbaserte elektronikk. Forskere fra Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) og Universitetet i Duisburg-Essen (UDE), i samarbeid med Max Planck-instituttet for polymerforskning (MPI-P), har nå vist for første gang at grafen faktisk kan konvertere elektroniske signaler med frekvenser i gigahertz-området - som tilsvarer dagens klokkefrekvenser - ekstremt effektivt til signaler med flere ganger høyere frekvens. Forskerne presenterer sine resultater i det vitenskapelige tidsskriftet Nature .

Dagens silikonbaserte elektroniske komponenter opererer med klokkefrekvenser på flere hundre gigahertz (GHz), det vil si at de skifter flere milliarder ganger per sekund. Elektronikkindustrien forsøker nå å få tilgang til terahertz-området (THz), dvs. opptil tusen ganger raskere klokkefrekvenser. Et lovende materiale og potensiell etterfølger til silisium kan være grafen, som har en høy elektrisk ledningsevne og er kompatibel med alle eksisterende elektroniske teknologier. Spesielt har teorien lenge spådd at grafen kunne være et meget effektivt "ikke-lineært" elektronisk materiale, det vil si et materiale som effektivt kan konvertere et applikert oscillerende elektromagnetisk felt til felt med en mye høyere frekvens. All eksperimentell innsats for å bevise denne effekten i grafen de siste ti årene har imidlertid ikke vært vellykket.

"Vi har nå vært i stand til å gi det første direkte beviset på frekvensmultiplikasjon fra gigahertz til terahertz i et grafenmonolag og å generere elektroniske signaler i terahertz-området med bemerkelsesverdig effektivitet, " forklarer Dr. Michael Gensch, hvis gruppe gjennomfører forskning på ultrafast fysikk og driver den nye TELBE-terahertz-strålekilden ved HZDR. Og ikke bare det - deres samarbeidspartnere ledet av prof. Dmitry Turchinovich, eksperimentell fysiker ved Universitetet i Duisburg-Essen (UDE), har lykkes i å beskrive målingene kvantitativt godt ved hjelp av en enkel modell basert på grunnleggende fysiske prinsipper for termodynamikk.

Med dette gjennombruddet baner forskerne vei for ultrafast grafenbasert nanoelektronikk: "Vi kunne ikke bare eksperimentelt demonstrere en langspådd effekt i grafen for første gang, men også å forstå det kvantitativt bra samtidig, "understreker prof. Dmitry Turchinovich. "I mitt laboratorium har vi undersøkt de grunnleggende fysiske mekanismene til den elektroniske ikke-linearitet av grafen allerede i flere år. Men våre lyskilder var ikke tilstrekkelige til å faktisk oppdage og kvantifisere frekvensmultiplikasjonen ren og klar. For dette behøvde vi eksperimentelle evner som for øyeblikket kun er tilgjengelig på TELBE-anlegget. "

Det etterlengtede eksperimentelle beviset på ekstremt effektiv terahertz-høy-harmoniske generasjon i grafen har lykkes ved hjelp av et triks: Forskerne brukte grafen som inneholder mange frie elektroner, som kommer fra samspillet mellom grafen og substratet som det er deponert på, så vel som med omgivende luft. Hvis disse mobile elektronene gleder seg av et oscillerende elektrisk felt, deler de sin energi veldig raskt med de andre elektronene i grafen, som deretter reagerer mye som et oppvarmet fluid: Fra en elektronisk "væske", figurativt sett, dannes en elektronisk "damp" innenfor grafen. Forandringen fra "væsken" til "damp" -fasen oppstår i løpet av trillioner av et sekund, og forårsaker spesielt raske og sterke endringer i ledningsevnen av grafen. Dette er nøkkelen som fører til effektiv frekvensmultiplikasjon.

Forskerne brukte elektromagnetiske pulser fra TELBE-anlegget med frekvenser mellom 300 og 680 gigahertz og konverterte dem i grafen til elektromagnetiske pulser med tre, fem og syv ganger den opprinnelige frekvensen, dvs. oppkonverterte dem til terahertz-frekvensområdet. "De ikke-lineære koeffisientene som beskriver effektiviteten i generasjonen av denne tredje, femte og syvende harmoniske frekvensen var eksepsjonelt høye, " forklarer Turchinovich. "Grafene er dermed muligens det elektroniske materialet med den sterkeste ikke-linearitet som er kjent til dags dato. Den gode samtalen av de målte verdiene med vår termodynamiske modell antyder at vi også vil kunne bruke den til å forutsi egenskapene til ultrahøyhastighets nanoelektroniske enheter laget av grafen ." Prof. Mischa Bonn, direktør for MPI-P, som også var involvert i dette arbeidet, understreker: "Vår oppdagelse er banebrytende. Vi har vist at karbonbasert elektronikk kan operere ekstremt effektivt ved ultrafast hastighet. Ultrafast hybridkomponenter laget av grafen og tradisjonelle halvledere er også tenkelige. "

Forsøket ble utført ved bruk av den nye, superledende akseleratorbaserte TELBE-terahertz-strålekilden ved ELBE-senteret for kraftige strålingskilder ved HZDR. Dens hundre ganger høyere pulsrate sammenlignet med typiske laserbaserte terahertz-kilder, gjorde det til det første mulig å måle nøyaktighet som kreves for undersøkelsen av grafen. En databehandlingsmetode utviklet som en del av EU-prosjektet EUCALL gjør at forskerne faktisk kan bruke måledataene tatt med hver av de 100.000 lysimpulser per sekund. "For oss er det ingen dårlige data, " sier Gensch. "Siden vi kan måle hver eneste puls, får vi ordre av størrelsesorden i måle nøyaktighet. Med hensyn til målingsteknologi er vi på grensen av det som for øyeblikket er mulig." De første forfatterne av artikkelen er de to unge forskerne Hassan A. Hafez (UDE / MPI-P) og Sergey Kovalev (HZDR).

menu
menu