Graphene muliggør urfrekvenser i terahertz -området

Grafen - et ultratyndt materiale bestående af et enkelt lag sammenkoblede carbonatomer - betragtes som en lovende kandidat til fremtidens nanoelektronik. I teorien, det bør give urfrekvenser op til tusind gange hurtigere end nutidens siliciumbaseret elektronik. Forskere fra Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) og University of Duisburg-Essen (UDE), i samarbejde med Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P), har nu for første gang vist, at grafen faktisk kan konvertere elektroniske signaler med frekvenser i gigahertz -området - som svarer til dagens urfrekvenser - ekstremt effektivt til signaler med flere gange højere frekvens. Forskerne præsenterer deres resultater i det videnskabelige tidsskrift Natur .

Dagens siliciumbaserede elektroniske komponenter fungerer med urfrekvenser på flere hundrede gigahertz (GHz), det er, de skifter flere milliarder gange i sekundet. Elektronikindustrien forsøger i øjeblikket at få adgang til terahertz (THz) -området, dvs. op til tusinde gange hurtigere urfrekvenser. Et lovende materiale og potentiel efterfølger til silicium kunne være grafen, som har en høj elektrisk ledningsevne og er kompatibel med alle eksisterende elektroniske teknologier. I særdeleshed, teorien har længe forudsagt, at grafen kunne være et meget effektivt "ikke -lineært" elektronisk materiale, dvs. et materiale, der meget effektivt kan konvertere et anvendt oscillerende elektromagnetisk felt til felter med en meget højere frekvens. Imidlertid, alle forsøgsbestræbelser på at bevise denne effekt i grafen i løbet af de sidste ti år har ikke været vellykkede.

"Vi har nu været i stand til at levere det første direkte bevis på frekvensmultiplikation fra gigahertz til terahertz i et grafenmonolag og generere elektroniske signaler i terahertz -området med bemærkelsesværdig effektivitet, "forklarer Dr. Michael Gensch, hvis gruppe forsker i ultrahurtig fysik og driver den nye TELBE terahertz strålingskilde ved HZDR. Og ikke nok med det - deres samarbejdspartnere under ledelse af prof. Dmitry Turchinovich, eksperimentel fysiker ved University of Duisburg-Essen (UDE), er det lykkedes at beskrive målingerne kvantitativt godt ved hjælp af en simpel model baseret på grundlæggende fysiske principper for termodynamik.

Med dette gennembrud, forskerne baner vejen for ultrahurtig grafenbaseret nanoelektronik:"Vi var ikke kun i stand til eksperimentelt at demonstrere en længe forudsagt effekt i grafen for første gang, men også for at forstå det kvantitativt godt på samme tid, "understreger prof. Dmitry Turchinovich." I mit laboratorium har vi allerede i flere år undersøgt de grundlæggende fysiske mekanismer for den elektroniske ikke -linearitet af grafen. Imidlertid, vores lyskilder var ikke tilstrækkelige til rent faktisk at opdage og kvantificere frekvensmultiplikationen ren og klar. For det, vi havde brug for eksperimentelle muligheder, som i øjeblikket kun er tilgængelige på TELBE -anlægget. "

Det længe ventede eksperimentelle bevis på ekstremt effektiv terahertz-højharmonisk generation i grafen er lykkedes ved hjælp af et trick:Forskerne brugte grafen, der indeholder mange frie elektroner, som kommer fra vekselvirkningen mellem grafen og det substrat, hvorpå det aflejres, såvel som med den omgivende luft. Hvis disse mobile elektroner exciteres af et oscillerende elektrisk felt, de deler deres energi meget hurtigt med de andre elektroner i grafen, som derefter reagerer meget som en opvarmet væske:Fra en elektronisk "væske", i overført betydning, der dannes en elektronisk "damp" i grafen. Ændringen fra "væsken" til "damp" -fasen sker inden for billioner af et sekund og forårsager særlig hurtige og stærke ændringer i ledningsevnen af ​​grafen. Dette er nøgleeffekten, der fører til effektiv frekvensmultiplikation.

Forskerne brugte elektromagnetiske pulser fra TELBE -anlægget med frekvenser mellem 300 og 680 gigahertz og konverterede dem i grafen til elektromagnetiske pulser med tre, fem og syv gange den oprindelige frekvens, dvs. op-konverterede dem til terahertz-frekvensområdet. "De ikke -lineære koefficienter, der beskriver effektiviteten af ​​generationen af ​​denne tredje, femte og syvende harmoniske frekvens var usædvanligt høj, "forklarer Turchinovich." Graphen er således muligvis det elektroniske materiale med den stærkeste ulinearitet, der hidtil er kendt. Den gode overensstemmelse mellem de målte værdier med vores termodynamiske model tyder på, at vi også vil kunne bruge den til at forudsige egenskaberne ved ultrahastigheds-nanoelektroniske enheder fremstillet af grafen. "Prof. Mischa Bonn, Direktør for MPI-P, som også var involveret i dette arbejde, understreger:"Vores opdagelse er banebrydende. Vi har demonstreret, at kulstofbaseret elektronik kan fungere ekstremt effektivt ved ultrahurtige hastigheder. Ultrahurtige hybridkomponenter fremstillet af grafen og traditionelle halvledere kan også tænkes."

Eksperimentet blev udført ved hjælp af romanen, superledende-accelerator-baseret TELBE terahertz strålingskilde ved ELBE Center for High-Power Strålingskilder ved HZDR. Dens hundrede gange højere pulsfrekvens i forhold til typiske laserbaserede terahertz-kilder gjorde den målenøjagtighed, der kræves til undersøgelse af grafen, i første omgang mulig. En databehandlingsmetode udviklet som en del af EU -projektet EUCALL giver forskerne mulighed for faktisk at bruge måledataene taget med hver af de 100, 000 lysimpulser i sekundet. "For os er der ingen dårlige data, "siger Gensch." Da vi kan måle hver eneste puls, vi får størrelsesordener i målenøjagtighed. Med hensyn til måleteknologi, vi er ved grænsen for, hvad der i øjeblikket er muligt. "De første forfattere til artiklen er de to unge forskere Hassan A. Hafez (UDE/MPI-P) og Sergey Kovalev (HZDR).