Graphene ช่วยให้อัตรานาฬิกาในช่วง terahertz

Anonim

วัสดุที่เป็นสารประกอบของกราฟีน (ultrathin) ประกอบด้วยชั้นอะตอมของคาร์บอนที่เชื่อมต่อกันอยู่หนึ่งชั้นถือเป็นผู้สมัครที่มีแนวโน้มสำหรับ nanoelectronics ในอนาคต ในทางทฤษฎีควรให้อัตรานาฬิกาเร็วขึ้นถึงหนึ่งพันเท่าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิกอนในปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์จาก Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) และ University of Duisburg-Essen (UDE) ร่วมกับ Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) ได้แสดงให้เห็นว่าเป็นครั้งแรกที่ graphene สามารถแปลงได้ สัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความถี่ในช่วงกิกะเฮิรตซ์ซึ่งสอดคล้องกับอัตรานาฬิกาในปัจจุบันซึ่งเป็นสัญญาณที่มีความถี่สูงกว่าหลายเท่า นักวิจัยนำเสนอผลงานของพวกเขาในวารสาร Nature ทางวิทยาศาสตร์

ชิ้นส่วนอิเล็คทรอนิคส์ที่ใช้ซิลิกอนในปัจจุบันทำงานในอัตราหลายร้อยกิกะเฮิรตซ์ (GHz) นั่นคือพวกเขากำลังเปลี่ยนหลายพันล้านครั้งต่อวินาที อุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์กำลังพยายามเข้าถึงช่วง terahertz (THz) นั่นคืออัตรานาฬิกาที่เร็วขึ้นถึงพันเท่า วัสดุที่มีแนวโน้มและศักยภาพในการสืบทอดซิลิคอนอาจเป็น graphene ซึ่งมีการนำไฟฟ้าสูงและเข้ากันได้กับเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ที่มีอยู่ทั้งหมด โดยเฉพาะอย่างยิ่งทฤษฎีได้คาดการณ์ไว้ว่า graphene อาจเป็นวัสดุอิเลคทรอนิคส์แบบ "nonlinear" ที่มีประสิทธิภาพมากเช่นวัสดุที่สามารถแปลงสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีการสั่นสะเทือนได้อย่างมีประสิทธิภาพในฟิลด์ที่มีความถี่สูงกว่ามาก อย่างไรก็ตามความพยายามทั้งหมดในการทดลองเพื่อพิสูจน์ผลกระทบนี้ใน graphene ในช่วงสิบปีที่ผ่านมายังไม่ประสบความสำเร็จ

"ตอนนี้เราสามารถพิสูจน์หลักฐานโดยตรงเกี่ยวกับการคูณความถี่จาก gigahertz ไปเป็น terahertz ใน graphene monolayer และสร้างสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ในช่วง terahertz ด้วยประสิทธิภาพที่น่าทึ่ง" ดร. ไมเคิลเกนชช์อธิบายซึ่งกลุ่มวิจัยดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับฟิสิกส์ที่รวดเร็วมาก และดำเนินการแหล่งกำเนิดรังสีอัลตราซาวด์เทอร์เฮเทอร์ตใหม่ที่ HZDR นักฟิสิกส์ทดลองจากมหาวิทยาลัยดูสบูร์ก - เอสเซน (UDE) ได้ประสบความสำเร็จในการอธิบายการวัดในเชิงปริมาณโดยใช้แบบจำลองที่เรียบง่ายขึ้นอยู่กับหลักการทางกายภาพพื้นฐานของอุณหพลศาสตร์

นักวิจัยกำลังค้นคว้าหาแนวทางในการใช้นาโนอีเลคทรอนิคส์ที่ใช้กราไฟท์ที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นพิเศษ: "เราไม่เพียง แต่สามารถแสดงให้เห็นถึงผลกระทบที่คาดการณ์ไว้ได้ยาวนานใน graphene เป็นครั้งแรกเท่านั้น แต่ยังเข้าใจได้เป็นอย่างดีในเชิงปริมาณในเวลาเดียวกัน" "เน้น Prof. Dmitry Turchinovich "ในห้องปฏิบัติการของเราเราได้ตรวจสอบกลไกทางกายภาพพื้นฐานของความไม่เป็นเชิงเส้นอิเล็กทรอนิกส์ของ graphene มาแล้วเป็นเวลาหลายปีอย่างไรก็ตามแหล่งกำเนิดแสงของเราไม่เพียงพอที่จะตรวจจับและหาจำนวนการคูณความถี่ได้อย่างชัดเจนและชัดเจนสำหรับเรื่องนี้เราต้องการความสามารถในการทดลอง ซึ่งขณะนี้มีเฉพาะที่สถานที่ของ TELBE เท่านั้น "

หลักฐานการทดลองที่รอคอยมานานของการสร้างฮาร์โมนิกที่มีประสิทธิภาพสูงใน graphene ได้ประสบความสำเร็จด้วยการใช้เคล็ดลับ: นักวิจัยใช้ graphene ที่มีอิเล็กตรอนอิสระจำนวนมากซึ่งมาจากการปฏิสัมพันธ์ของกราฟีนกับพื้นผิวที่มีการสะสม, เช่นเดียวกับอากาศแวดล้อม หากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เหล่านี้ตื่นเต้นกับสนามไฟฟ้าที่แกว่งพวกเขาแบ่งปันพลังงานของพวกเขากับอิเล็กตรอนอื่น ๆ ในกราไฟท์ซึ่งจะทำปฏิกิริยาคล้ายกับของเหลวที่มีการแผ่รังสี: จาก "ของเหลว" อิเล็กทรอนิกส์ซึ่งเป็นรูปเป็นร่างกล่าวคือรูปแบบ "ไอ" แบบอิเล็กทรอนิกส์ ภายใน graphene การเปลี่ยนแปลงจาก "ของเหลว" ไปเป็น "ไอระเหย" เกิดขึ้นภายในล้านล้านวินาทีและทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วและแข็งแรงในการนำไฟฟ้าของกราไฟท์ นี่คือผลสำคัญที่นำไปสู่การคูณความถี่ที่มีประสิทธิภาพ

นักวิทยาศาสตร์ใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากสถานที่ของ TELBE ที่มีความถี่ระหว่าง 300 ถึง 680 กิกะเฮิร์ตซ์และเปลี่ยนเป็น graphene เป็นคลื่นไฟฟ้าด้วยความถี่ 3, 5 และ 7 เท่าของความถี่เริ่มต้นคือการแปลงค่าเป็นช่วงความถี่เทอร์เฮิร์ทซ์ "ค่าสัมประสิทธิ์ความไม่เชิงเส้นที่อธิบายถึงประสิทธิภาพของการสร้างความถี่ฮาร์โมนิกที่สาม, ห้าและเจ็ดนี้มีค่าสูงเป็นพิเศษ" Turchinovich อธิบาย "ดังนั้น Graphene จึงเป็นวัสดุอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความไม่เป็นเชิงเส้นที่แข็งแกร่งที่สุดที่เป็นที่รู้จักจนถึงปัจจุบันข้อตกลงที่ดีของค่าที่วัดได้ด้วยรูปแบบอุณหพลศาสตร์ของเราชี้ให้เห็นว่าเราจะสามารถใช้เพื่อคาดเดาคุณสมบัติของอุปกรณ์นาโนอิเลกทรอนิกส์ความเร็วสูงพิเศษที่ทำจากกราฟีน." ศาสตราจารย์มิสชาบอนน์ผู้อำนวยการของ MPI-P ผู้มีส่วนร่วมในงานวิจัยกล่าวว่า "การค้นพบของเราเป็นก้าวไปอย่างไม่หยุดยั้งเราได้สาธิตให้เห็นว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้คาร์บอนสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในอัตราที่รวดเร็วมากส่วนประกอบของไฮบริด Ultrafast ที่ทำจากกราไฟท์ และเซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิมก็เป็นไปได้ด้วย "

การทดลองนี้ดำเนินการโดยใช้แหล่งกำเนิดรังสี TELBE terahertz ที่ใช้ตัวเร่งด้วยตัวนำยิ่งยวดที่ศูนย์ ELBE สำหรับแหล่งพลังงานการแผ่รังสีพลังงานสูงที่ HZDR อัตราการเต้นของชีพจรที่เพิ่มขึ้นเป็นร้อยเท่าเมื่อเทียบกับแหล่งกำเนิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบทั่วไปทำให้ความแม่นยำในการวัดที่จำเป็นสำหรับการตรวจสอบ graphene เป็นไปได้ในตอนแรก วิธีการประมวลผลข้อมูลที่พัฒนาขึ้นโดยเป็นส่วนหนึ่งของโครงการ EU EUCALL ช่วยให้นักวิจัยสามารถใช้ข้อมูลการวัดที่ได้รับกับแต่ละคลื่นแสงได้ 100, 000 ครั้งต่อวินาที "สำหรับเราไม่มีข้อมูลที่ไม่ถูกต้อง" Gensch กล่าว เนื่องจากเราสามารถวัดทุกชีพจรเดียวเราได้รับคำสั่งของขนาดในความถูกต้องของวัดในแง่ของเทคโนโลยีการวัดเราอยู่ที่ขีด จำกัด ของสิ่งที่เป็นไปได้ในปัจจุบัน. ผู้เขียนคนแรกของบทความนี้คือนักวิทยาศาสตร์หนุ่มสองคน Hassan A. Hafez (UDE / MPI-P) และ Sergey Kovalev (HZDR)

menu
menu