Onderzoekers van het Nanoscale Transport Physics Laboratory van de School of Physics aan de University of the Witwatersrand hebben een techniek gevonden om koolstofsuperroosters te verbeteren voor toepassingen van kwantumelektronische apparaten. Superroosters zijn opgebouwd uit afwisselende lagen van zeer dunne halfgeleiders, slechts een paar nanometer dik. Deze lagen zijn zo dun dat de fysica van deze apparaten wordt bepaald door de kwantummechanica, waar elektronen zich gedragen als golven. In een paradigmaverschuiving van conventionele elektronische apparaten, het benutten van de kwantumeigenschappen van superroosters houdt de belofte in van het ontwikkelen van nieuwe technologieën.

De groep, onder leiding van professor Somnath Bhattacharyya heeft de afgelopen 10 jaar gewerkt aan de ontwikkeling van op koolstof gebaseerde nano-elektronische apparaten.

"Koolstof is de toekomst op het gebied van elektronica en zal binnenkort een uitdaging vormen voor veel andere halfgeleiders, inclusief silicium, ’ zegt Bhattacharyya.

De fysica van superroosters van koolstof is complexer dan die van kristallijne superroosters (zoals galliumarsenide), omdat het materiaal amorf is en koolstofatomen de neiging hebben ketens en netwerken te vormen. De Wits-groep, in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Surrey in het VK, heeft een gedetailleerde theoretische benadering ontwikkeld om de experimentele gegevens verkregen van koolstofapparaten te begrijpen. Het artikel is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten op 19 oktober.

"Dit werk geeft inzicht in de fundamentele kwantumeigenschappen van superroosters van koolstof, waarmee we nu kwantumapparaten kunnen ontwerpen voor specifieke toepassingen, " zegt hoofdauteur, Wits promovendus, Ross McIntosh. "Ons werk biedt een sterke impuls voor toekomstige studies van de hoogfrequente elektronische en opto-elektronische eigenschappen van superroosters van koolstof".

Door hun werk, de groep rapporteerde een van de eerste theoretische modellen die de fundamentele elektronische transporteigenschappen in ongeordende koolstofsuperroosters kan verklaren.

Bhattacharyya begon bijna 10 jaar geleden te kijken naar het gebruik van koolstof voor halfgeleidertoepassingen, voordat hij naar Wits University ging, toen hij en co-auteurs van de Universiteit van Surrey negatieve differentiële weerstand en uitstekende hoogfrequente eigenschappen ontwikkelden en demonstreerden van een kwantumapparaat dat bestaat uit amorfe koolstoflagen. Dit werk is gepubliceerd in Natuurmaterialen in 2006.

McIntosh maakte van de gelegenheid gebruik om op honoursniveau de elektrische eigenschappen van superroosterapparaten van koolstof te meten. Nutsvoorzieningen, als promovendus en na veel te hebben samengewerkt met theoreticus Dr. Mikhail V. Katkov, hij heeft het theoretisch kader uitgebreid en een techniek ontwikkeld om de transporteigenschappen van deze apparaten te berekenen.

Bhattacharyya gelooft dat dit werk van enorm belang zal zijn bij de ontwikkeling van op koolstof gebaseerde hoogfrequente apparaten.

"Het opent niet alleen fundamentele studies in koolstofmaterialen, maar het zal ook industriële toepassingen hebben in de sector van elektronische en opto-elektronische apparaten, " hij zegt.

Superroosters worden momenteel gebruikt als ultramoderne hoogfrequente oscillatoren en versterkers en beginnen in de opto-elektronica te worden gebruikt als detectoren en emitters in het terahertz-regime. Hoewel de hoogfrequente elektrische en opto-elektronische eigenschappen van conventionele halfgeleiders worden beperkt door de doteermiddelen die worden gebruikt om hun elektronische eigenschappen te wijzigen, de eigenschappen van superroosters kunnen over een veel groter bereik worden afgestemd om apparaten te creëren die werken in regimes waar conventionele apparaten dat niet kunnen.

Elektronische apparaten van superrooster kunnen op hogere frequenties werken en opto-elektronische apparaten kunnen op lagere frequenties werken dan hun conventionele tegenhangers. Het ontbreken van terahertz-zenders en -detectoren heeft geleid tot een opening in dat gebied van het elektromagnetische spectrum (bekend als de "terahertz-gap"), wat een belangrijke beperking is, aangezien veel biologische moleculen actief zijn in dit regime. Dit beperkt ook de radioastronomie van terahertz.

Amorphous Carbon-apparaten zijn extreem sterk, kan werken op hoge spanningen en kan worden ontwikkeld in de meeste laboratoria ter wereld, zonder geavanceerde nanofabricagefaciliteiten. Nieuwe op koolstof gebaseerde apparaten kunnen worden toegepast in de biologie, ruimtetechnologie, wetenschappelijke infrastructuur zoals de Square Kilometre Array (SKA) telescoop in Zuid-Afrika, en nieuwe microgolfdetectoren.

"Wat eerder ontbrak, was een begrip van apparaatmodellering. Als we een model hebben, we kunnen de apparaatkwaliteit verbeteren, en dat is wat we nu hebben, ’ zegt Bhattacharyya.