Graphen ermöglicht Taktraten im Terahertz-Bereich

Anonim

Graphen - ein ultradünnes Material, das aus einer einzigen Schicht miteinander verbundener Kohlenstoffatome besteht - gilt als vielversprechender Kandidat für die Nanoelektronik der Zukunft. In der Theorie sollte es Taktraten bis zu tausend Mal schneller als heutige Silizium-basierte Elektronik ermöglichen. Wissenschaftler des Helmholtz Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der Universität Duisburg-Essen (UDE) haben nun in Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) erstmals gezeigt, dass Graphen tatsächlich konvertierbar ist elektronische Signale mit Frequenzen im Gigahertz-Bereich, die heutigen Taktraten entsprechen, extrem effizient zu Signalen mit mehrfach höherer Frequenz. Die Forscher präsentieren ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nature .

Heutige siliziumbasierte elektronische Komponenten arbeiten mit Taktraten von mehreren hundert Gigahertz (GHz), dh sie schalten mehrere Milliarden Mal pro Sekunde. Die Elektronikindustrie versucht derzeit, auf den Terahertz (THz) -Bereich zuzugreifen, dh bis zu 1000 mal schnellere Taktraten. Ein vielversprechender Werkstoff und potenzieller Nachfolger für Silizium könnte Graphen sein, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist und mit allen existierenden elektronischen Technologien kompatibel ist. Insbesondere hat die Theorie lange vorhergesagt, dass Graphen ein sehr effizientes "nichtlineares" elektronisches Material sein könnte, dh ein Material, das ein angelegtes oszillierendes elektromagnetisches Feld sehr effizient in Felder mit einer viel höheren Frequenz umwandeln kann. Alle experimentellen Versuche, diesen Effekt in Graphen in den letzten zehn Jahren nachzuweisen, waren jedoch nicht erfolgreich.

"Wir konnten nun den ersten direkten Nachweis der Frequenzvervielfachung von Gigahertz bis Terahertz in einer Graphenmonoschicht liefern und elektronische Signale im Terahertz-Bereich mit bemerkenswerter Effizienz erzeugen", erklärt Dr. Michael Gensch, dessen Gruppe die Ultrakurzzeitphysik erforscht und betreibt am HZDR die neuartige TELBE-Terahertz-Strahlungsquelle. Und nicht nur das: Ihren Kooperationspartnern unter der Leitung von Prof. Dmitry Turchinovich, Experimentalphysiker an der Universität Duisburg-Essen (UDE), ist es gelungen, die Messungen mit einem einfachen Modell auf Basis physikalischer Grundprinzipien der Thermodynamik quantitativ gut zu beschreiben.

Mit diesem Durchbruch ebnen die Forscher den Weg für ultraschnelle Graphen-basierte Nanoelektronik: "Wir konnten erstmals einen lang vorhergesagten Effekt in Graphen nicht nur experimentell nachweisen, sondern ihn gleichzeitig quantitativ gut verstehen, "betont Prof. Dmitry Turtschinowitsch. "In meinem Labor haben wir bereits seit einigen Jahren die grundlegenden physikalischen Mechanismen der elektronischen Nichtlinearität von Graphen untersucht. Allerdings waren unsere Lichtquellen nicht ausreichend, um die Frequenzvervielfachung sauber und eindeutig zu detektieren und zu quantifizieren. Dafür benötigten wir experimentelle Fähigkeiten die derzeit nur bei TELBE verfügbar sind. "

Der lang ersehnte experimentelle Nachweis hocheffizienter Terahertz-Oberschwingungen in Graphen ist mit Hilfe eines Tricks gelungen: Die Forscher verwendeten Graphen, das viele freie Elektronen enthält, die durch die Wechselwirkung von Graphen mit dem Substrat entstehen, auf dem es abgeschieden wird. sowie mit der Umgebungsluft. Wenn diese beweglichen Elektronen durch ein oszillierendes elektrisches Feld angeregt werden, teilen sie ihre Energie sehr schnell mit den anderen Elektronen in Graphen, die dann ähnlich wie eine erhitzte Flüssigkeit reagieren: Aus einer elektronischen "Flüssigkeit" entsteht im übertragenen Sinne ein elektronischer "Dampf" innerhalb des Graphens. Der Wechsel von der "flüssigen" zur "Dampf" -Phase erfolgt innerhalb von Billionstelsekunden und bewirkt besonders schnelle und starke Änderungen der Leitfähigkeit von Graphen. Dies ist der Schlüsseleffekt, der zu einer effizienten Frequenzvervielfachung führt.

Die Wissenschaftler verwendeten elektromagnetische Impulse aus der TELBE-Anlage mit Frequenzen zwischen 300 und 680 Gigahertz und wandelten sie im Graphen in elektromagnetische Pulse mit drei-, fünf- und siebenmal der Ausgangsfrequenz um, dh wandelten sie in den Terahertz-Frequenzbereich um. "Die nichtlinearen Koeffizienten, die die Effizienz der Erzeugung dieser dritten, fünften und siebten harmonischen Frequenz beschreiben, waren außergewöhnlich hoch", erklärt Turchinovich. "Graphen ist somit möglicherweise das bisher bekannteste elektronische Material mit der stärksten Nichtlinearität. Die gute Übereinstimmung der Messwerte mit unserem thermodynamischen Modell legt nahe, dass wir damit auch die Eigenschaften ultrahochschneller Nanoelektronik aus Graphen vorhersagen können. " Prof. Mischa Bonn, Direktor des MPI-P, der ebenfalls an dieser Arbeit beteiligt war, betont: "Unsere Entdeckung ist wegweisend. Wir haben gezeigt, dass kohlenstoffbasierte Elektronik extrem schnell mit ultraschnellen Geschwindigkeiten arbeiten kann. Ultraschnelle Hybridkomponenten aus Graphen und traditionelle Halbleiter sind ebenfalls denkbar. "

Das Experiment wurde mit der neuartigen supraleitenden Beschleuniger-basierten TELBE-Terahertz-Strahlungsquelle am ELBE-Zentrum für Hochleistungsstrahlungsquellen am HZDR durchgeführt. Seine hundertfach höhere Pulsrate im Vergleich zu typischen laserbasierten Terahertz-Quellen machte die für die Untersuchung von Graphen erforderliche Messgenauigkeit erst möglich. Eine im Rahmen des EU-Projekts EUCALL entwickelte Datenverarbeitungs-Methode erlaubt es den Forschern, die Messdaten aus jedem der 100.000 Lichtpulse pro Sekunde zu verwenden. "Für uns gibt es keine schlechten Daten", sagt Gensch. "Da wir jeden einzelnen Puls messen können, gewinnen wir Größenordnungen in der Messgenauigkeit. In der Messtechnik sind wir an der Grenze des Machbaren." Die ersten Autoren des Artikels sind die beiden jungen Wissenschaftler Hassan A. Hafez (UDE / MPI-P) und Sergey Kovalev (HZDR).

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