Fleksibel, let-skalerbare nanobånd flytter grafen til brug i tekniske applikationer

Fra radio til tv til internettet, telekommunikationstransmissioner er simpelthen information, der transporteres på lysbølger og konverteres til elektriske signaler.

Siliciumbaseret fiberoptik er i øjeblikket de bedste strukturer til højhastigheds-, langdistance transmissioner, men grafen - et udelukkende kulstof, ultratyndt og tilpasningsdygtigt materiale - kunne forbedre ydeevnen endnu mere.

I en undersøgelse offentliggjort 16. april i ACS Fotonik , University of Wisconsin-Madison forskere fremstillede grafen til de mindste båndstrukturer til dato ved hjælp af en metode, der gør opskalering enkel. I test med disse små bånd, forskerne opdagede, at de nærmede sig de egenskaber, de havde brug for for at flytte grafen til brug i telekommunikationsudstyr.

"Tidligere forskning antydede, at for at være levedygtig for telekommunikationsteknologier, grafen skal struktureres uoverkommeligt lille over store områder, (som er) et fabrikationsmareridt, " siger Joel Siegel, en UW-Madison kandidatstuderende i fysikprofessor Victor Brars gruppe og co-lead forfatter af undersøgelsen. "I vores undersøgelse, vi skabte en skalerbar fremstillingsteknik til at lave de mindste grafenbåndstrukturer til dato og fandt ud af, at med beskedne yderligere reduktioner i båndbredden, vi kan begynde at nå telekommunikationsområdet."

Grafen hyldes som et vidundermateriale til teknologier som telekommunikation eller solceller, fordi det er nemt at arbejde med, er forholdsvis billig, og har unikke fysiske egenskaber som at være både en isolator og leder af elektricitet.

Hvis den modificeres til at interagere med lys med højere energi, grafen kunne bruges til at modulere telekommunikationssignaler med lynhurtige hastigheder. For eksempel, det kunne bruges til at blokere uønskede kommunikationsfrekvenser.

En måde at forbedre grafens ydeevne på er at skære den i mikroskopiske, nanometerskala båndstrukturer, som fungerer som bittesmå antenner, der interagerer med lys. Jo mindre antennen er, de højere lysenergier det interagerer med. Den kan også "tunes" til at interagere med flere lysenergier, når et elektrisk felt påføres, strækker sin præstation yderligere.

Forskerne, herunder hold ledet af UW-Madison materialevidenskab og ingeniørprofessorer Michael Arnold og Padma Gopalan, ønskede først at lave en enhed af grafenbånd, der var smallere end noget, der er lavet endnu. Ved at konstruere båndformede polymerer oven på grafen og derefter ætse noget af det omgivende materiale væk, de stod tilbage med præcist tegnede, umuligt tynde bånd af grafen.

"Det er meget nyttigt, fordi der ikke er gode fremstillingsteknikker til at komme ned til den funktionsstørrelse, vi gjorde, 12 nanometer bred over et stort område, " Siegel siger. "Og der er ingen forskel mellem mønster over den centimeter-skala, vi arbejder med her, og gigantiske seks-tommer wafere, der er nyttige til industrielle applikationer. Det er meget nemt at skalere op."

Med enheder fremstillet, forskerne kunne derefter teste, hvordan båndene interagerede med lys, og hvor godt de kunne kontrollere denne interaktion.

I samarbejde med UW-Madison el- og computeringeniørprofessor Mikhail Kats' gruppe, de skinnede forskellige bølgelængder af infrarødt lys ind i strukturerne og identificerede den bølgelængde, hvor båndene og lyset interagerer stærkest, kendt som resonansbølgelængden.

De fandt ud af, at når båndbredden falder, det samme gør lysets resonansbølgelængde. Lavere bølgelængder betyder højere energier, og deres enheder interagerede med de højeste energier, der endnu er målt for struktureret grafen.

Forskerne var også i stand til at tune båndene ved at øge den elektriske feltstyrke på strukturerne, yderligere reduktion af strukturernes resonansbølgelængde. Forskerne fastslog, at en struktur har den forventede fleksibilitet, der er nødvendig for de teknologiske anvendelser, de sigtede efter at opnå.

De sammenlignede derefter deres eksperimentelle data med den forudsagte adfærd af struktureret grafen på tværs af tre forskellige båndbredder og tre elektriske feltstyrker. De bredere bånd, som forskerne skabte, matchede nøje den forudsagte adfærd.

Men for smallere bånd, de så et såkaldt blueshift, eller et skift til højere end forventet energier. Blåforskydningen kan forklares ved, at elektroner i de mindre bånd vil være mere tilbøjelige til at interagere med - og frastøde - hinanden.

"Den blåforskydning, vi observerede, indikerer, at telekommunikationsbølgelængder kan nås med meget større strukturer end tidligere forventet - omkring otte-til-10 nanometer - hvilket kun er marginalt mindre end de 12 nanometer strukturer, vi lavede, " siger Siegel.

Med målet på otte-til-10 nanometer meget tættere på end forventet, forskerne forsøger nu at tilpasse deres fremstillingsmetoder for at gøre båndene endnu smallere. Disse nye grafen nanostrukturer vil også tillade udforskninger af den grundlæggende fysik af lys-stof interaktioner, forskning, som Siegel og kolleger i øjeblikket forfølger.