Graphein võimaldab kella kiirusi terahertsi vahemikus

Graphein Guerrilla Bucurestiul Intreprinzator (Juuli 2019).

Anonim

Grafiin - ülikaudne materjal, mis koosneb ühest kihist omavahel seotud süsinikuaatomitest - loetakse tuleviku nanoelektroonika lootustandvaks kandidaadiks. Teoreetiliselt peaks see võimaldama kellaaegu kuni tuhande korda kiiremini kui tänapäeva räni baasil töötavat elektroonikat. Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorfi (HZDR) ja Duisburg-Esseni ülikool (UDE) teadlased koostöös Max Plancki polümeersete uuringute instituudiga (MPI-P) on nüüd esimest korda näidanud, et grafeen saab tegelikult ümber kujundada digitaalsed signaalid sagedustega gigahõrtsi vahemikus - mis vastavad tänapäeva kella sagedusele - äärmiselt efektiivselt mitme sagedusega signaalidele. Teadlased esitavad oma tulemused teaduslikus ajakirjas Nature.

Tänapäeval töötavad ränipõhised elektroonikakomponendid mitmesaja Gigahertsi (GHz) kellaajaga, st nad vahetavad mitu miljardit korda sekundis. Elektroonikatööstus üritab praegu pääseda terahertsi (THz) levialale, st kuni tuhandeid kordi kiiremini. Paljutõotav materjal ja potentsiaalne räni järeltulija võiks olla grafeen, millel on suur elektrijuhtivus ja mis sobib kõigi olemasolevate elektrooniliste tehnoloogiatega. Eelkõige on teooria juba ennustanud, et grafeen võiks olla väga efektiivne "mittelineaarne" elektrooniline materjal, st materjal, mis suudab väga efektiivselt muuta rakendatud võnkuvate elektromagnetvälja välja palju suurema sagedusega väljadeks. Siiski ei ole kõik eksperimentaalsed jõupingutused seda mõju grafeenil viimase kümne aasta jooksul tõestada.

"Nüüd oleme suutnud pakkuda esimest otsest tõendeid sageduse korrutise kohta graafine monokihist gigahhertsilt terahertzini ja terahertsi plaatidele elektrooniliste signaalide tootmiseks märkimisväärse efektiivsusega, " selgitab dr Michael Gensch, kelle grupp tegeleb ülikiire füüsika uurimisega ja käitab uut TELBE terahertsi kiirgusallikat HZDR-is. Ja mitte ainult, et nende koostööpartnerite juhitud Duisburg-Esseni ülikooli eksperimentaalfüüsiku prof Dmitri Turchinovichi (UDE) poolt on õnnestunud kirjeldada mõõtmisi kvantitatiivselt, kasutades lihtsat mudelit, mis põhineb termodünaamika põhilistest füüsilistest põhimõtetest.

Selle läbimurdega teostavad teadlased teed grafeenipõhisele nanoelektroonikale: "Me ei suutnud esmakordselt mitte ainult eksperimentaalselt näidata grafeeniga pika prognoositava mõju, vaid ka mõista seda kvantitatiivselt hästi samal ajal, "rõhutab prof Dmitri Turchinovich. "Minu laboris oleme juba mitmeid aastaid uurinud grafeeni elektroonilise mittelineaarsuse põhilisi füüsilisi mehhanisme. Kuid meie valgusallikad ei olnud piisavad selleks, et sageduste kordistamist oleks võimalik puhtaks ja selgeks teha. Selleks vajasime eksperimentaalset võimekust mis on praegu saadaval ainult TELBE rajatises. "

Pika oodatud eksperimentaalne tõestus grafeenist väga efektiivse terahertsi kõrgharmoni tekitamise kohta on õnnestunud trikki abil: teadlased kasutasid grafeeni, mis sisaldab palju vabu elektroni, mis pärinevad grapheeni ja selle substraadi vastastikmõjutamisest, millele see on ladestunud, samuti ümbritseva õhuga. Kui need liikuvad elektronid põnevad võnkuvat elektrivälja, jagavad nad nende energiat väga kiiresti teiste grapheinis olevate elektronidega, mis seejärel reageerivad palju nagu kuumutatud vedelikku. Elektroonilisest "vedelikust", kujundlikult öeldes, moodustub elektrooniline "aur" grafeeni sees. Muutmine "vedelast" aurufaasiks toimub teises sekundis trillionths sekundis ning see põhjustab eriti kiireid ja tugevaid muutusi grafeeni juhtivuses. See on peamine efekt, mis viib sagedusrikastuse korrektsioonini.

Teadlased kasutasid TELBE rajatis elektromagnetilisi impulsse sagedusega 300-680 gigahertsit ja muundasid need grafeenist elektromagnetilisteks impulssideks kolme, viie ja seitsmekordselt esialgse sagedusega, st neid ülesehituslikult terahertsi sagedusalas. "Kolmanda, viienda ja seitsmenda harmoonilise sageduse genereerimise efektiivsust kirjeldavad mittelineaarsed koefitsiendid olid erakordselt suured, " selgitab Turchinovich. "Grafeen on seega võimalikult elektrooniline materjal, millel on seni teadaolev tugevaim mittelineaarsus. Mõõdetud väärtuste hea nõustumine meie termodünaamilise mudeli abil näitab, et me võime seda kasutada ka grafeenist valmistatud ultrahigh-speed nanoelektrooniliste seadmete omaduste ennustamiseks " Professor Mischa Bonn, kes oli selles töös osalenud MPI-P direktor, rõhutab järgmist: "Meie avastus on murranguline. Oleme tõestanud, et süsinikupõhine elektroonika saab väga kiirel kiirusel töötada. Ultrafast hübriid komponendid on valmistatud grafest Samuti on mõeldavad traditsioonilised pooljuhid. "

Katse viidi läbi, kasutades HZDR-i suure võimsusega kiirgusallikate ELBE keskuses uut, ülijuhtivate kiirendajatel põhinevat TELBE terahertsi kiirgusallikat. Selle seitsmekordses suuremas pulsisageduses võrreldes tüüpiliste laserpõhiste terahertsi allikatega oli grapheeni uurimiseks vajalik mõõtmise täpsus võimalik. ELi projekti EUCALL raames välja töötatud andmetöötlusmeetod võimaldab teadlastel tegelikult kasutada mõõdetavaid andmeid, mis on võetud iga 100 000 valguse impulsiga sekundis. "Meie jaoks pole halbu andmeid, " ütleb Gensch. "Kuna me saame mõõta iga impulsi, saame mõõtetäpsuses suuruse järjekorda. Mõõttemehhanismi osas oleme praegu praegu teostataval tasemel." Artikli esimesed autorid on kaks noort teadlast Hassan A. Hafez (UDE / MPI-P) ja Sergei Kovalev (HZDR).

menu
menu