Grafen terahertz aralığında saat hızları sağlar

Anonim

Tek bir birbirine bağlı karbon atomlarından oluşan ultra ince bir malzeme olan grafen, geleceğin nanoelektronikleri için umut verici bir aday olarak kabul edilir. Teorik olarak, günümüzün silikon bazlı elektronik sistemlerinden saat hızına bin kat daha hızlı çıkabilmeli. Max Planck Polimer Araştırma Enstitüsü (MPI-P) ile işbirliği içinde, Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ve Duisburg-Essen Üniversitesi'nden (UDE) gelen bilim adamları, grafinin gerçekten dönüşebileceğini ilk kez göstermiştir. gigahertz aralığındaki frekanslarla (günümüzün saat hızlarına karşılık gelen) elektronik sinyaller, birkaç kat daha yüksek frekanslı sinyallere aşırı derecede etkilidir. Araştırmacılar sonuçlarını Science dergisinde yayınladılar .

Günümüzün silikon bazlı elektronik bileşenleri birkaç yüz gigahertz (GHz) saat hızında çalışmaktadır, yani saniyede birkaç milyar kez değişmektedir. Elektronik endüstrisi şu anda terahertz (THz) serisine, yani bin kat daha hızlı saat hızlarına erişmeye çalışıyor. Umut verici bir materyal ve silikonun potansiyel halefleri yüksek elektrik iletkenliğine sahip ve mevcut tüm elektronik teknolojilere uyumlu grafen olabilir. Özellikle, teori uzun zamandır grafenin çok verimli "doğrusal olmayan" bir elektronik malzeme, yani uygulanan salınan bir elektromanyetik alanı çok daha yüksek frekanslı alanlara çok verimli bir şekilde dönüştürebilen bir malzeme olabileceğini öngörmüştür. Ancak, bu etkinin son on yılda grafen olarak kanıtlanması için yapılan tüm deneysel çalışmalar başarılı olmamıştır.

Grubumuzun ultrafast fiziği üzerine araştırma yürüttüğü Dr. Michael Gensch, "Şimdi gigahertz'den terahertz'e bir grafen tek tabakada frekans çarpımının ilk doğrudan kanıtını sağlayabildik ve terahertz aralığında elektronik sinyaller üreterek olağanüstü bir verimlilik sağladık." ve HZDR'deki yeni TELBE terahertz radyasyon kaynağını çalıştırır. Ve sadece bu değil - Duisburg-Essen Üniversitesi'nde (UDE) deneysel fizikçi Prof. Dmitry Turchinovich liderliğindeki işbirliği ortakları, termodinamiğin temel fiziksel prensiplerine dayanan basit bir model kullanarak nicel olarak iyi bir şekilde ölçümleri tanımlamayı başardılar.

Bu buluş ile araştırmacılar ultrafast grafen tabanlı nanoelektroniklerin yolunu açıyorlar: "Sadece grafeninde uzun zamandır tahmin edilen bir etkiyi ilk defa deneyimlemekle kalmayıp, aynı zamanda nicel olarak iyi bir şekilde anlayabildik. "Prof. Dmitry Turchinovich vurgulamaktadır. "Laboratuvarımızda, birkaç yıldan beri grafenlerin elektronik doğrusal olmayan temel fiziksel mekanizmalarını araştırıyoruz. Ancak, ışık kaynaklarımız, frekans çarpımını temiz ve net olarak tespit etmek ve ölçmek için yeterli değildi. Bunun için, deneysel yeteneklere ihtiyacımız vardı. Şu anda sadece TELBE tesisinde mevcuttur. "

Grafendeki son derece verimli terahertz yüksek harmonik nesillerinin uzun süredir beklenen deneysel kanıtı, bir hile yardımıyla başarıldı: Araştırmacılar, grafenin, üzerine biriktirildikleri substratla etkileşmesinden gelen birçok serbest elektron içeren grafen kullandılar. yanı sıra ortam havası ile. Bu hareketli elektronlar salınan bir elektrik alanı tarafından uyarılırsa, enerjilerini çok hızlı bir şekilde diğer elektronlarla grafen içinde paylaşırlar, bu da daha sonra ısıtılmış bir akışkan gibi tepkimeye girer: Elektronik bir "sıvı" dan, mecazi bir şekilde, bir elektronik "buhar" formu grafen içinde. "Sıvı" dan "buhar" fazına geçiş, saniyenin trilyonları içinde meydana gelir ve grafenin iletkenliğinde özellikle hızlı ve güçlü değişikliklere neden olur. Bu, verimli frekans çoğalmasına yol açan temel etkendir.

Bilim adamları, TELBE tesisinden elektromanyetik darbeleri 300 ila 680 gigahertz frekansları ile kullanmışlar ve grafen içinde ilk frekansın üç, beş ve yedi katı kadar elektromanyetik darbelere dönüştürdüler, yani bunları terahertz frekans aralığına dönüştürdüler. Turchinovich, "Bu üçüncü, beşinci ve yedinci harmonik frekansın üretiminin verimliliğini anlatan doğrusal olmayan katsayılar son derece yüksekti" diye açıklıyor. "Grafen, muhtemelen bugüne kadar bilinen en güçlü lineer olmayan elektronik materyaldir. Ölçülen değerlerin termodinamik modelimizle olan iyi anlaşması, grafen yapılan ultra hızlı nanoelektronik cihazların özelliklerini tahmin etmek için de kullanabileceğimizi göstermektedir. ." Bu çalışmaya katılan MPI-P'nin Direktörü Prof. Mischa Bonn, şunları söyledi: “Bizim keşifimiz çok çığır açıyor. Karbon bazlı elektroniğin ultrafast hızlarında çok verimli çalışabileceğini gösterdik. ve geleneksel yarı iletkenler de düşünülebilir. "

Deney, HZDR'deki Yüksek Güçte Radyasyon Kaynakları için ELBE Merkezi'nde yeni, süperiletken-hızlandırıcı tabanlı TELBE terahertz radyasyon kaynağı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tipik lazer tabanlı terahertz kaynaklarına kıyasla yüz kat daha yüksek nabız sayısı, ilk etapta mümkün olan grafen araştırması için gerekli olan ölçüm doğruluğunu sağlamıştır. AB projesi EUCALL'ın bir parçası olarak geliştirilen bir veri işleme yöntemi, araştırmacıların, saniyede 100.000 ışık atımının her biri ile alınan ölçüm verilerini gerçekten kullanmalarını sağlar. Gensch, "Bizim için kötü bir veri yok" diyor. "Her bir darbeyi ölçebildiğimiz için, ölçüm doğruluğunda büyüklük dereceleri alırız. Ölçüm teknolojisi açısından, şu anda mümkün olanın sınırındayız." Makalenin ilk yazarları, iki genç bilim adamı olan Hassan A. Hafez (UDE / MPI-P) ve Sergey Kovalev (HZDR).

menu
menu