גרפן מאפשר שיעורי שעון בטווח הטרהרץ

Anonim

גראפן - חומר אולטרה-טין המורכב משכבה אחת של אטומי פחמן אינטרלינקד - נחשב למועמד מבטיח לננו-אלקטרוניקה של העתיד. בתיאוריה, זה צריך לאפשר שיעורי שעון עד פי אלף מהר יותר מאשר היום של סיליקון מבוססי אלקטרוניקה. מדענים מה- Helmholtz Zentrum דרזדן-רוסנדורף (HZDR) ואוניברסיטת דויסבורג-אסן (UDE), בשיתוף עם מכון מקס פלנק לחקר פולימרים (MPI-P), הראו לראשונה כי גרפן יכול למעשה להמיר אותות אלקטרוניים עם תדרים בטווח gigahertz - אשר תואמים את שיעורי השעון של היום - ביעילות רבה לתוך אותות עם תדירות גבוהה פי כמה. החוקרים מציגים את תוצאותיהם בכתב העת המדעי Nature.

רכיבי האלקטרוניקה מבוססי הסיליקון פועלים כיום בשיעורי שעון של כמה מאות גיגהרץ (GHz), כלומר, הם מעבירים מספר מיליארדי פעמים בשנייה. תעשיית האלקטרוניקה מנסה כעת לגשת לטווח הטרהרץ (THZ), כלומר, עד 1, 000 פעמים בקצב מהיר יותר. חומר מבטיח ויורש פוטנציאלי לסיליקון יכול להיות גרפן, בעל מוליכות חשמלית גבוהה והוא תואם את כל הטכנולוגיות האלקטרוניות הקיימות. בפרט, התיאוריה מזה זמן רב ניבא כי גרפן יכול להיות יעיל מאוד "לא לינארית" חומר אלקטרוני, כלומר, חומר זה יכול להמיר ביעילות רבה שדה אלקטרומגנטי נעה יישומית לשדות עם תדירות גבוהה בהרבה. עם זאת, כל המאמצים הניסיוניים להוכיח את האפקט הזה בגרפן במהלך עשר השנים האחרונות לא הצליחו.

"כעת הצלחנו לספק את ההוכחה הישירה הראשונה לכפל תדרים מ- Gigahertz ל- Terahertz במולאיר של גרפן וליצור אותות אלקטרוניים בטווח הטרהרץ עם יעילות מרשימה", מסביר ד"ר מייקל גנש, שקבוצתו עורכת מחקרים על פיזיקה מהירים ומפעילה את מקור הקרינה TELBE Terahertz חדש ב- HZDR. ולא רק זה - השותפים שלהם בשיתוף פעולה בראשות פרופ 'דמיטרי Turchinovich, פיזיקאי ניסיוני באוניברסיטת דויסבורג-אסן (UDE), הצליחו לתאר את המדידות באופן כמותי באמצעות מודל פשוט המבוסס על עקרונות פיזיקליים בסיסיים של התרמודינמיקה.

עם פריצת דרך זו, החוקרים סוללים את הדרך עבור nanoelectronics המהיר מבוסס גרפן: "אנחנו לא רק הצליחו להוכיח באופן ניסוי אפקט ניבא בגראפן בפעם הראשונה, אלא גם כדי להבין את זה כמותי באותו זמן, "מדגיש פרופ 'דמיטרי Turchinovich. "במעבדה שלי חקרנו את המנגנונים הפיזיים הבסיסיים של הליניאריות האלקטרונית של גרפן כבר מספר שנים, אך מקורות האור שלנו לא הספיקו לזהות ולכמת את הכפל בתדירות נקייה וברורה, לשם כך נזקקנו ליכולות ניסיוניות אשר כרגע זמין רק במתקן TELBE. "

ההוכחה הניסויית המיוחלת ליצירה יעילה של טאר-הרץ גבוהה של גרנונים, הצליחה בעזרת טריק: החוקרים השתמשו בגראפן המכיל אלקטרונים חופשיים רבים, שמקורם באינטראקציה של גרפן עם המצע שעליו הוא מופקד, כמו גם עם האוויר הסביבה. אם האלקטרונים הניידים האלה נרגשים משדה חשמלי מתנדנד, הם חולקים את האנרגיה שלהם מהר מאוד עם האלקטרונים האחרים בגראפן, אשר מגיבים אז כמו נוזל מחומם: מ"נוזל "אלקטרוני, באופן מילולי, בצורה אלקטרונית" אדים " בתוך הגרפן. השינוי מן "נוזלי" לשלב "אדים" מתרחשת בתוך טריליון של שנייה גורם שינויים מהיר וחזק במיוחד מוליכות של גראפן. זהו אפקט המפתח המוביל לכפל תדירות יעיל.

מדענים השתמשו פולסים אלקטרומגנטיים מן מתקן TELBE עם תדרים בין 300 ו 680 gigahertz והמיר אותם גרפן לתוך פולסים אלקטרומגנטיים עם שלוש, חמש ושבע פעמים את התדר הראשוני, כלומר למעלה המרה אותם לטווח תדר terherhz. "המקדמים הלא לינאריים המתארים את היעילות של הדור של התדר ההרמוני השלישי, החמישי והשביעי היו גבוהים במיוחד", מסביר טורינוביץ '. "גרפן הוא אולי החומר האלקטרוני עם הליניאריות החזקה ביותר הידוע עד כה.הסכם הטוב של הערכים שנמדדו עם המודל התרמודינמי שלנו מציע כי נוכל גם להשתמש בו כדי לנבא את המאפיינים של התקנים ננואלקטרוניים במהירות גבוהה עשוי גרפן. פרופ 'מישה בון, מנהלת ה- MPI-P, שהיה מעורב גם בעבודה זו, מדגישה: "התגלית שלנו פורצת דרך, והראינו כי אלקטרוניקה מבוססת פחמן יכולה לפעול ביעילות רבה בשיעורים המהירים ביותר.הרכיבים היברידיים המהירים העשויים מגראפן ו מוליכים למחצה המסורתית הם גם מתקבל על הדעת. "

הניסוי בוצע באמצעות מקור הקרינה TELBE terahertz TelBE, המבוסס על מוליך-על, המבוסס על מוליך-על, במרכז ELBE עבור מקורות קרינה עתירי-הספק ב- HZDR. שיעור הדופק הגבוה פי מאה בהשוואה למקורות טרהרץ מבוססי לייזר טיפוסיים עשה את מדידת המדידה הנדרשת לחקירת הגרפן. שיטה לעיבוד נתונים שפותחה במסגרת פרויקט האיחוד האירופי EUCALL מאפשרת לחוקרים להשתמש בנתוני המדידה שנלקחו עם כל אחד מ -100, 000 פעימות האור בשנייה. "מבחינתנו אין נתונים רעים", אומר גנש. "מכיוון שאנו יכולים למדוד כל דופק אחד, אנו מקבלים הזמנות בסדר גודל של דיוק המדידה, במונחים של טכנולוגיית המדידה, אנחנו נמצאים במגבלה של מה שניתן כיום". המחברים הראשונים של המאמר הם שני המדענים הצעירים חסן א. חאפט (UDE / MPI-P) וסרגיי קובלב (HZDR).

menu
menu