Grafen-baserede terahertz-enheder:Fremtidens bølge

Folk bruger elektromagnetisk energi hver dag … ser fjernsyn, lytter til radio, poppe majs med en mikrobølgeovn, tage et røntgenbillede eller bruge en mobiltelefon. Denne energi bevæger sig i form af bølger, som er meget udbredt i elektroniske og trådløse enheder.

Et af de hotteste områder af det elektromagnetiske spektrum, der udforskes i dag, er terahertz-området (THz). Terahertz bølger, ligger mellem mikrobølge- og optiske frekvenser, tilbyde forbedret ydeevne til en række applikationer i hverdagen. For eksempel, THz-bølger kan bære mere information end radio/mikrobølger til kommunikationsenheder. De giver også medicinske og biologiske billeder med højere opløsning end mikrobølger, samtidig med at det giver meget mindre potentiel skade ved eksponering end røntgenstråler.

Forskere ved University of Notre Dame har vist, at det er muligt effektivt at manipulere THz elektromagnetiske bølger med atomisk tynde grafenlag. Denne præstation, som for nylig blev offentliggjort i Nature Communications, sætter scenen for udvikling af kompakte, effektive og omkostningseffektive enheder og systemer, der opererer i THz-båndet.

"En stor flaskehals i løftet om THz-teknologi har været manglen på effektive materialer og enheder, der manipulerer disse energibølger, ” siger Berardi Sensale-Rodriguez, en kandidatstuderende ved Institut for Elektroteknik ved Notre Dame. "At have et naturligt todimensionelt materiale med stærk og afstembar respons på THz-bølger - f.eks. grafen — giver os mulighed for at designe THz-enheder, der opnår en hidtil uset ydeevne."

Terahertz-teamet - kandidatstuderende Sensale-Rodriguez, Rusen Yan, Kristof Tahy og Tian Fang; forskningsassistent professorer Michelle M. Kelly, gennem Center for Nano Science and Technology (NDnano), og Lei Liu, i forbindelse med Advanced Diagnostics and Therapeutics ved Notre Dame (AD&T); gæstende forskningsassistent professor Wan Sik Hwang, med Midwest Institute for Nanoelectronics Discovery (MIND); lektor Debdeep Jena og John Cardinal O'Hara, C.S.C., Lektor Huili (Grace) Xing - har demonstreret den første proof of concept-prototype af en grafen-baseret THz-modulator, en enhed, der udelukkende aktiveres af intraband-overgange i grafen.

grafen, et atomtykt halvledermateriale, har vist lovende elektriske, mekaniske og termiske egenskaber, der fører til den nylige demonstration af hurtige transistorer, fleksibel/gennemsigtig elektronik, optiske enheder og nu terahertz aktive komponenter.

"Graphene er blevet udråbt som en ideel platform til at opdage nye, samt bevise/bestride eksisterende, fysiske fænomener siden 2004, " sagde Xing. "Det er hvad to fysikere i Det Forenede Kongerige, Andre Geim og Konstantin Novoselov, blev tildelt Nobelprisen for i 2010. Dog meget få virkelige anvendelser af grafen er dukket op til dato. Brug af grafen til at manipulere THz-bølger er en af ​​sådanne applikationer. Dette Nature Communication-papir dokumenterede vores første eksperimentelle indsats for at realisere forudsigelserne i vores papir offentliggjort i Applied Physics Letters sidste år. Enheder med bedre ydeevne fortsætter med at rulle ud af vores laboratorier.

"Selvom professor Jena og jeg dannede visionen om at bruge todimensionel elektrongas til at manipulere THz-bølger tilbage i 2006, det var ikke før Michelle, Lei og Berardi sluttede sig til os, at dette stykke arbejde var muligt, ” tilføjede Xing.