Forskere finder teknik til at forbedre kulstofsupergitter til kvanteelektroniske enheder

Forskere ved Nanoscale Transport Physics Laboratory fra School of Physics ved University of Witwatersrand har fundet en teknik til at forbedre kulstof -supergitter til kvanteelektroniske apparatapplikationer. Supergitter er opbygget af vekslende lag af meget tynde halvledere, kun få nanometer tyk. Disse lag er så tynde, at disse enheders fysik er styret af kvantemekanik, hvor elektroner opfører sig som bølger. I et paradigmeskift fra konventionelle elektroniske enheder, udnyttelse af supergitternes kvanteegenskaber holder løftet om at udvikle nye teknologier.

Gruppen, ledet af professor Somnath Bhattacharyya har arbejdet i de sidste 10 år på at udvikle kulstofbaserede nano-elektroniske enheder.

"Carbon er fremtiden på elektronikområdet, og det vil snart udfordre mange andre halvledere, inklusive silicium, " siger Bhattacharyya.

Fysikken i kulstofsupergitter er mere kompleks end den for krystallinske supergitter (såsom galliumarsenid), da materialet er amorft og kulstofatomer har tendens til at danne kæder og netværk. Wits -gruppen, i samarbejde med forskere ved University of Surrey i Storbritannien, har udviklet en detaljeret teoretisk tilgang til at forstå de eksperimentelle data, der er opnået fra carbon -enheder. Avisen er udgivet i Videnskabelige rapporter den 19. oktober.

"Dette arbejde giver en forståelse af de grundlæggende kvanteegenskaber af kulstofsupergitter, som vi nu kan bruge til at designe kvanteenheder til specifikke applikationer, "siger hovedforfatter, Wits ph.d.-studerende, Ross McIntosh. "Vores arbejde giver stærk impuls til fremtidige undersøgelser af de højfrekvente elektroniske og optoelektroniske egenskaber af kulstofsupergitter".

Gennem deres arbejde, gruppen rapporterede om en af ​​de første teoretiske modeller, der kan forklare de grundlæggende elektroniske transportegenskaber i uordnede kulstofsupergitter.

Bhattacharyya begyndte at se på brugen af ​​kulstof til halvlederapplikationer for næsten 10 år siden, før han kom til Wits University, da han og medforfattere fra University of Surrey udviklede og demonstrerede negativ differentialmodstand og fremragende højfrekvente egenskaber af en kvanteanordning bestående af amorfe kulstoflag. Dette værk blev udgivet i Naturmaterialer i 2006.

McIntosh påtog sig muligheden på æresniveau for at måle de elektriske egenskaber af carbon supergitter-enheder. Nu, som ph.d.-studerende og efter at have arbejdet indgående med teoretiker Dr. Mikhail V. Katkov, han har udvidet den teoretiske ramme og udviklet en teknik til at beregne disse enheders transportegenskaber.

Bhattacharyya mener, at dette arbejde vil have enorm betydning i udviklingen af ​​kulstofbaserede højfrekvente enheder.

"Det åbner ikke kun grundlæggende undersøgelser af kulstofmaterialer, men det vil også have industrielle anvendelser i sektoren for elektroniske og optoelektroniske anordninger, " han siger.

Superlattices bruges i øjeblikket som topmoderne højfrekvente oscillatorer og forstærkere og begynder at finde anvendelse i optoelektronik som detektorer og emittere i terahertz -regimet. Mens de højfrekvente elektriske og optoelektroniske egenskaber af konventionelle halvledere er begrænset af de dopingmidler, der bruges til at modificere deres elektroniske egenskaber, egenskaberne af supergitter kan tunes over et meget bredere område for at skabe enheder, der fungerer i regimer, hvor konventionelle enheder ikke kan.

Superlattice elektroniske enheder kan fungere ved højere frekvenser, og optoelektroniske enheder kan fungere ved lavere frekvenser end deres konventionelle modstykker. Manglen på terahertz -emittere og detektorer har resulteret i et hul i det område af det elektromagnetiske spektrum (kendt som "terahertz -hullet"), hvilket er en væsentlig begrænsning, da mange biologiske molekyler er aktive i dette regime. Dette begrænser også terahertz-radioastronomi.

Amorfe kulstof-enheder er ekstremt stærke, kan fungere ved høje spændinger og kan udvikles i de fleste laboratorier i verden, uden sofistikerede nano-fremstillingsfaciliteter. Nye kulstofbaserede enheder kan finde anvendelse i biologi, rumteknologi, videnskabelig infrastruktur såsom Square Kilometer Array (SKA) teleskopet i Sydafrika, og nye mikrobølgedetektorer.

"Det, der manglede tidligere, var en forståelse af enhedsmodellering. Hvis vi har en model, vi kan forbedre enhedens kvalitet, og det er hvad vi har nu, "siger Bhattacharyya.