Grafeeni ja terahertsit

Kun grafeeniin kohdistetaan ohjausjännite, virran taajuuskonversiota voidaan hallita.

Grafeeni voisi soveltua käytettäväksi suuren suorituskyvyn elektronisissa komponenteissa. Tähän asti on kuitenkin ollut puutetta tietämyksestä, miten grafeenin tiettyjä ominaisuuksia voitaisiin sopivasti hallita.

Bielefeldin ja Berliinin yliopistojen tutkijaryhmän tutkimustyö yhdessä muiden saksalaisten ja espanjalaisten tutkimuslaitosten tutkijoiden kanssa muuttaa tätä tilannetta.

Äskettäin havaittiin, että grafeenin elektronien korkea elektroninen johtavuus ja massaton käyttäytyminen antavat sille mahdollisuuden muuttaa lävitseen kulkevien sähkövirtojen taajuuskomponentteja.

Grafeenin tekee ainutlaatuiseksi se, että sen epälineaarisuus on ylivoimaisesti vahvin kaikista elektronisista materiaaleista. Lisäksi se toimii erittäin hyvin poikkeuksellisen korkeilla elektronisilla taajuuksilla ja ulottuu teknisesti tärkeälle terahertsien (THz) alueelle, jossa useimmat tavanomaiset elektroniset materiaalit eivät toimi.

Uudessa tutkimuksessaan tutkijaryhmä osoitti, että grafeenin epälineaarisuutta voidaan hallita erittäin tehokkaasti soveltamalla materiaaliin suhteellisen vaatimattomia jännitteitä. Tätä varten tutkijat valmistivat transistoria muistuttavan laitteen, jossa grafeeniin voitiin soveltaa ohjausjännitettä.

Tutkijat havaitsivat, että grafeenista tulee melkein täysin läpinäkyvä tietyllä jännitteellä - sen normaalisti voimakas epälineaarinen vaste melkein häviää. Nostamalla tai laskemalla jännitettä hieman tästä kriittisestä arvosta grafeeni voidaan muuttaa vahvasti epälineaariseksi materiaaliksi, muuttamaan merkittävästi elektronisten THz signaalien vahvuutta ja eri taajuuskomponentteja.

"Tämä on merkittävä askel eteenpäin kohti grafeenin käyttöönottoa sähköisessä signaalinkäsittelyssä ja signaalin modulointisovelluksissa", sanoo Bielefeldin yliopiston fyysikko Dmitry Turchinovich.

"Tämän työn avulla olemme saavuttaneet tärkeän virstanpylvään kohti grafeenin käyttöä erittäin tehokkaana epälineaarisena toiminnallisena kvanttimateriaalina sellaisissa laitteissa, kuten THz-taajuusmuuttajat, sekoittimet ja modulaattorit", sanoo professori Michael Gensch Berliinin teknillisen yliopistosta. Tällä on merkitystä, koska grafeeni on täysin yhteensopiva nykyisten elektronisten ultrakorkeiden taajuuksien puolijohdetekniikan, kuten CMOS:n tai Bi-CMOS:n kanssa.

Siksi on nyt mahdollista kuvitella hybridilaitteita, joissa alkuperäinen sähköinen signaali syntyy matalammalla taajuudella käyttämällä olemassa olevaa puolijohdetekniikkaa mutta voidaan sitten ylösmuuntaa erittäin tehokkaasti paljon suuremmiksi THz-taajuuksiksi grafeenissa, täysin hallittavalla ja ennustettavalla tavalla.

Aiheesta aiemmin:

Optinen terahertsitransistori

Nanoelektroniikka terahertsien nopeuksiin