Elektricitet kan strømme gennem grafen ved høje frekvenser uden energitab

Elektriske signaler transmitteret ved høje frekvenser mister intet af deres energi, når de passerer gennem 'vidundermaterialet' grafen, har en undersøgelse ledet af Plymouth University vist.

Opdaget i 2004, grafen – som kun måler et atom i tykkelsen og er omkring 100 gange stærkere end stål – er blevet identificeret som havende en række potentielle anvendelser på tværs af ingeniør- og sundhedssektoren.

Nu har forskning vist, at grafen klarer sig bedre end ethvert andet kendt materiale, inklusive superledere, når de bærer højfrekvente elektriske signaler sammenlignet med jævnstrøm, i det væsentlige transmitterer signaler uden yderligere energitab.

Og da grafen mangler båndgab, som gør det muligt at tænde og slukke for elektriske signaler ved hjælp af silicium i digital elektronik, akademikere siger, at det virker mest anvendeligt til applikationer lige fra næste generations højhastighedstransistorer og forstærkere til mobiltelefoner og satellitkommunikation til ultrafølsomme biologiske sensorer.

Undersøgelsen blev ledet af Dr. Shakil Awan, en underviser på School of Computing, Elektronik og matematik ved Plymouth University, sammen med kolleger fra Cambridge og Tohoku (Japan) Universiteter og Nokia Technologies (Cambridge, Storbritannien).

Dr Awan sagde:

"En nøjagtig forståelse af grafens elektromagnetiske egenskaber over en bred vifte af frekvenser (fra jævnstrøm til over 10 GHz) har været en vigtig søgen for flere grupper rundt om i verden. Indledende målinger gav resultater i modstrid med teorien, fordi grafens iboende egenskaber ofte er maskeret af meget større interfererende signaler fra det understøttende substrat, metalliske kontakter og målesonder. Vores resultater for første gang bekræfter ikke kun grafens teoretiske egenskaber, men åbner også op for mange nye anvendelser af materialet i højhastighedselektronik og bio-sensing."

Studiet, offentliggjort i IOP 2D Materials Journal, blev finansieret af EU Graphene Flagship, EPSRC, ERC og Nokia Technologies, og resultaterne udnyttes nu til at udvikle højhastigheds- og effektive støjsvage forstærkere, blandere, strålingsdetektorer og nye biosensorer.

Sidstnævnte er fokus for et treårigt £1 million-projekt finansieret af EPSRC om udvikling af højfølsomme grafenbiosensorer til tidlig påvisning af demens (såsom Alzheimers sygdom) sammenlignet med nuværende metoder.

Grafen er ideelt egnet til dette, da dets termiske støj ved stuetemperatur er mindre end noget andet kendt materiale, muliggør følsom påvisning af bittesmå antal antistof-antigen-interaktioner for at indikere sandsynligheden for, at en patient udvikler demens i fremtiden.

Dr Alan Colli, fra Nokia Technologies, sagde:

"Grafenenheder til næste generations trådløse teknologier (op til og ud over 10 GHz) skrider hurtigt frem. Vores undersøgelse har låst op for grafens grundlæggende adfærd ved høje frekvenser, som vil være afgørende i design og evaluering af fremtidige grafen-baserede trådløse enheder. Dette er kun blevet muligt på grund af den multi-disciplinære ekspertise hos de forskellige grupper baseret på Nokia, og i Plymouth, Cambridge og Tohoku universiteter."