Графен: в квантовом материале все под контролем

Как можно как можно быстрее передать или обработать большие объемы данных? Одним из ключей к этому может быть . Ультратонкий материал имеет толщину всего один атомный слой, а содержащиеся в нем обладают очень особыми свойствами из-за квантовых эффектов. Поэтому он может очень хорошо подходить для использования в высокопроизводительных электронных компонентах. Однако до этого момента отсутствовали знания о том, как надлежащим образом управлять определенными свойствами графена. Новое исследование, проведенное группой ученых из Билефельда и Берлина вместе с исследователями из других исследовательских институтов Германии и Испании, меняет это положение. Выводы команды опубликованы в журнале. Достижения науки.


Графен, состоящий из атомов углерода, представляет собой материал толщиной всего в один атом, в котором атомы расположены в гексагональной решетке. Такое расположение атомов приводит к уникальному свойству графена: электроны в этом материале движутся так, как если бы они не имели массы. Такое «безмассовое» электронов приводит к очень высокой электропроводности графена, и, что , это свойство сохраняется при комнатной температуре и в условиях окружающей среды. Поэтому графен потенциально очень интересен для приложений современной электроники.

Недавно было обнаружено, что высокая электронная проводимость и «безмассовое» поведение его электронов позволяет графену изменять частотные составляющие электрических токов, проходящих через него. Это свойство сильно зависит от силы этого тока. В современной электронике такая нелинейность является одной из основных функций переключения и обработки электрических сигналов. Уникальность графена заключается в том, что его нелинейность на сегодняшний день является самой сильной из всех электронных материалов. Более того, он очень хорошо работает для исключительно высоких электронных частот, простираясь до технологически важного терагерцового (ТГц) диапазона, в котором большинство обычных электронных материалов не работают.

В своем новом исследовании группа исследователей из Германии и Испании продемонстрировала, что нелинейностью графена можно очень эффективно управлять, прикладывая к материалу сравнительно небольшое электрическое напряжение. Для этого исследователи изготовили устройство, напоминающее транзистор, в котором управляющее напряжение могло подаваться на графен через набор электрических контактов. Затем с помощью устройства передавались сверхвысокочастотные сигналы ТГц диапазона: передача и последующее преобразование этих сигналов затем анализировались в зависимости от приложенного напряжения. Исследователи обнаружили, что графен становится почти идеально прозрачным при определенном напряжении — его обычно сильный нелинейный отклик почти исчезает. Слегка увеличив или уменьшив напряжение от этого критического значения, графен можно превратить в сильно нелинейный материал, значительно изменив силу и частотные составляющие передаваемых и переданных электронных сигналов ТГц диапазона.

«Это значительный шаг вперед на пути к применению графена в приложениях для обработки электрических сигналов и модуляции сигналов», — говорит профессор Дмитрий Турчинович, физик из Университета Билефельда и один из руководителей этого исследования. «Ранее мы уже продемонстрировали, что графен на сегодняшний день является наиболее нелинейным функциональным материалом из известных нам. Мы также понимаем физику, лежащую в основе нелинейности, которая теперь известна как термодинамическая картина сверхбыстрого переноса электронов в графене. Но до сих пор мы не знали, как контролировать эту нелинейность, которая была недостающим звеном в использовании графена в повседневных технологиях ».

«Подавая управляющее напряжение на графен, мы смогли изменить количество электронов в материале, которые могут свободно перемещаться при подаче на него электрического сигнала», — объясняет д-р Хасан А. Хафез, член профсоюза профессора д-ра Турчиновича. лаборатории в Билефельде и одним из ведущих авторов исследования. «С одной стороны, чем больше электронов может двигаться в ответ на приложенное электрическое поле, тем сильнее токи, которые должны усиливать нелинейность. Но с другой стороны, чем больше свободных электронов доступно, тем сильнее взаимодействие между ними, и это подавляет нелинейность. Здесь мы продемонстрировали — как экспериментально, так и теоретически — что, применяя относительно слабое внешнее напряжение всего в несколько вольт, можно создать оптимальные условия для самой сильной нелинейности ТГц диапазона в графене ».

«Благодаря этой работе мы достигли важной вехи на пути к использованию графена в качестве чрезвычайно эффективного нелинейного функционального квантового материала в таких устройствах, как преобразователи частоты ТГц, смесители и модуляторы», — говорит профессор д-р Майкл Генш из Института оптики. Сенсорные системы Немецкого аэрокосмического центра (DLR) и Берлинского технического университета, который является другим руководителем этого исследования. «Это чрезвычайно актуально, потому что графен полностью совместим с существующей электронной сверхвысокочастотной полупроводниковой технологией, такой как CMOS или Bi-CMOS. Таким образом, теперь можно представить гибридные устройства, в которых исходный электрический сигнал генерируется на более низкой частоте с использованием существующей полупроводниковой . но затем может быть очень эффективно преобразован с повышением частоты в гораздо более высокие частоты ТГц в графене, и все это полностью управляемым и предсказуемым образом ».

0 Комментарий
Inline Feedbacks
View all comments