Grafen: Nanoelektronik cihazların saat frekansını terahertz aralığına getirin!
Kılavuz
Yakın zamanda Helmholtz Dresden Rosendorf Araştırma Merkezi, Duisburg-Essen Üniversitesi ve Max Planck Enstitüsü Polimer Araştırma Enstitüsü'nden bilim adamları gigahertz'i dönüştürmek için grafen kullanımını ilk kez göstermek için işbirliği yaptı Frekans aralığındaki elektronik sinyaller, çok verimli bir şekilde frekansta birkaç kat daha yüksek sinyallere dönüştürülür.
arka fon
Tek bir karbon atomu tabakasından oluşan bal peteği yapısına sahip grafen, dünyada bilinen en ince, en hafif ve en güçlü malzemedir. Ayrıca gelecekte nanoelektronik alanında en umut verici malzemelerden biri olarak kabul edilmektedir. Teorik olarak, günümüzün silikon tabanlı elektronik cihazlarından binlerce kat daha hızlı saat hızlarına ulaşabilmelidir.
(Fotoğraf kredisi: Tatiana Shepeleva / Shutterstock)
Yenilikçilik
Son zamanlarda, Helmholtz Dresden Rosendorf Araştırma Merkezi (HZDR), Duisburg-Essen Üniversitesi (UDE) ve Max Planck Polimer Araştırma Enstitüsü'nden (MPI-P) bilim adamları İşbirliği, grafenin gigahertz frekans aralığındaki (bugünün saat frekansına eşdeğer) elektronik sinyalleri birkaç kat daha yüksek frekanslara sahip sinyallere dönüştürmek için kullanılabileceğini ilk kez gösterdi.
(Resim kaynağı: Juniks / HZDR)
Araştırmacılar araştırma sonuçlarını bilimsel dergi Nature'da yayınladılar. Makalenin ilk yazarları iki genç bilim insanı: Hassan A. Hafez (UDE / MPI-P) ve Sergey Kovalev (HZDR).
teknoloji
Günümüzde silikon bazlı elektronik bileşenler birkaç yüz gigahertz (GHz) saat frekansında çalışıyor, yani saniyede milyonlarca kez değişiyorlar. Şu anda elektronik endüstrisi terahertz (THz) aralığına, başka bir deyişle binlerce kat daha hızlı saat frekanslarına ulaşmaya çalışıyor.
Grafen, gelecek vaat eden bir malzeme ve silikonun potansiyel bir halefidir. Sadece daha yüksek iletkenliğe sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda mevcut tüm elektronik teknolojilerle uyumludur. Özellikle teori, uzun bir süredir grafenin çok verimli "doğrusal olmayan" bir elektronik malzeme olacağını, yani uygulanan salınımlı elektromanyetik alanı çok etkili bir şekilde daha yüksek bir frekans alanına dönüştürebilen bir malzeme olacağını öngörmüştür. . Bununla birlikte, son on yılda, grafendeki bu etkiyi kanıtlamak için tüm deneysel çabalar başarısız oldu.
Dr. Michael Genschin araştırma ekibi ultra hızlı fizik araştırmalarına liderlik etti ve HZDRdeki yeni TELBE terahertz radyasyon kaynağını çalıştırdı. Sadece bu değil, UDE deneysel fizikçi Profesör Dmitry Turchinovich'in liderliğindeki ortakları, ölçüm sonuçlarını nicel olarak tanımlamak için termodinamiğin temel yasalarına dayanan basit bir modeli başarıyla benimsedi.
Deneyler yoluyla grafende yüksek verimli terahertz harmoniklerinin üretimini göstermek her zaman herkesin dört gözle beklediği şey olmuştur. Ancak bu nihayet araştırmacıların çabalarıyla başarıldı. Araştırmacılar aşağıdaki yöntemi kullandılar: Grafen ile üzerine yerleştirildiği substrat ve ortam havası arasındaki etkileşimden birçok serbest elektron içeren grafeni kullandılar. Bu mobil elektronlar, salınan bir elektrik alanı tarafından uyarılırsa, enerjiyi grafendeki diğer elektronlarla hızla paylaşırlar. Grafen ısıtılmış bir sıvı gibi tepki verir: örneğin grafende elektronik "sıvı" elektronik "buhar" olur. "Sıvı" dan "buhar" a faz değişimi saniyenin trilyonda biri içinde gerçekleşir ve grafenin iletkenliğinde özellikle hızlı ve güçlü bir değişikliğe neden olur. Bu, verimli frekans çarpımına yol açan temel etkidir.
Bilim adamları TELBE frekansından (300 GHz ~ 680 GHz) elektromanyetik darbeler kullanır ve bunları grafendeki orijinal frekansın üç, beş ve yedi katı elektromanyetik darbelere dönüştürür. Terahertz frekans aralığına dönüştürüldü. Profesör Dmitry Turchinovich şöyle açıkladı: "Üçüncü, beşinci ve yedinci harmonik frekans üretiminin verimliliğini tanımlayan doğrusal olmayan katsayı çok yüksek. Bu nedenle grafen şu ana kadar en güçlü doğrusal olmayan elektronik malzeme olabilir. Ölçülen değer bizimki ile tutarlı. Termodinamik modeller arasındaki iyi uyum, onu grafenden yapılan ultra yüksek hızlı nanoelektronik cihazların özelliklerini tahmin etmek için de kullanabileceğimizi gösteriyor. "
(Resim kaynağı: referans [2])
(Resim kaynağı: referans [2])
Deneyde, HZDR'nin ELBE yüksek güçlü radyasyon kaynağının merkezindeki yeni süper iletken hızlandırıcıya dayanan TELBE terahertz radyasyon kaynağı kullanıldı. Lazer tabanlı terahertz ışık kaynağı ile karşılaştırıldığında, darbe frekansı yüz kat daha yüksektir ve bu, grafen çalışması için gerekli ölçüm doğruluğunu sağlayabilir. AB projesi EUCALL'un bir parçası olarak, araştırmacılar saniyede 100.000 darbenin her birinden elde edilen ölçüm verilerini fiilen kullanmalarına izin veren bir veri işleme yöntemi geliştirdiler.
Gensch şunları söyledi: "Bizim için kötü veri yok. Her nabzı ölçebildiğimiz için, birkaç büyüklük derecesinde bir ölçüm doğruluğu elde edebiliriz. Ölçüm teknolojisi söz konusu olduğunda, şu anda ulaşabileceğimiz sınıra ulaştık. "
değer
Bu çalışmanın katılımcılarından biri ve MPI-P direktörü Mischa Bonn, "Keşfimiz çığır açıyor. Karbon bazlı elektronik cihazların ultra hızlı saat frekanslarında son derece verimli çalışabileceğini gösterdik. Grafen ve Geleneksel yarı iletken cihazlardan yapılan ultra hızlı hibrit bileşenler de düşünülebilir. "
Bu atılım ile araştırmacılar, ultra yüksek hızlı grafen tabanlı nanoelektronik cihazların önünü açıyor. Profesör Turchinovich şunları vurguladı: Grafenin uzun vadeli tahmin etkisini ilk kez deneylerle göstermekle kalmadık, aynı zamanda nicel olarak da anladık. Laboratuvarımda birkaç yılı grafenin elektronik olmayan özelliklerini inceledik. Doğrusallığın temel fiziksel mekanizması. Bununla birlikte, ışık kaynağımız, frekans çarpımını temiz ve net bir şekilde tespit etmek ve ölçmek için yeterli değil. Bu nedenle, yalnızca TELBE tesislerinin sahip olduğu deneysel yeteneklere ihtiyacımız var. "
Anahtar kelime
Grafen, elektronik, terahertz
Referans
[1] https://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=99pOid=56780
[2] Hassan A. Hafez, Sergey Kovalev, Jan-Christoph Deinert, Zoltán Mics, Bertram Green, Nilesh Awari, Min Chen, Semyon Germanskiy, Ulf Lehnert, Jochen Teichert, Zhe Wang, Klaas-Jan Tielrooij, Zhaoyang Liu, Zongping Chen , Akimitsu Narita, Klaus Müllen, Mischa Bonn, Michael Gensch, Dmitry Turchinovich. Sıcak Dirac fermiyonları ile grafende son derece verimli terahertz yüksek harmonik üretimi Doğa, 2018; DOI: 10.1038 / s41586-018-0508-1
