Hoe kunnen grote hoeveelheden data zo snel mogelijk worden overgedragen of verwerkt? Een sleutel hiervoor zou grafeen kunnen zijn. Het ultradunne materiaal is slechts één atoomlaag dik, en de elektronen die het bevat hebben zeer speciale eigenschappen vanwege kwantumeffecten. Het zou daarom zeer geschikt kunnen zijn voor gebruik in hoogwaardige elektronische componenten. Tot dit punt, echter, er is een gebrek aan kennis over hoe bepaalde eigenschappen van grafeen op de juiste manier kunnen worden gecontroleerd. Een nieuwe studie door een team van wetenschappers uit Bielefeld en Berlijn, samen met onderzoekers van andere onderzoeksinstituten in Duitsland en Spanje, verandert dit. De bevindingen van het team zijn gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

Bestaande uit koolstofatomen, grafeen is een materiaal van slechts één atoom dik, waarbij de atomen in een hexagonaal rooster zijn gerangschikt. Deze rangschikking van atomen resulteert in de unieke eigenschap van grafeen:de elektronen in dit materiaal bewegen alsof ze geen massa hebben. Dit "massaloze" gedrag van elektronen leidt tot een zeer hoge elektrische geleidbaarheid in grafeen en, belangrijk, deze eigenschap wordt gehandhaafd op kamertemperatuur en onder omgevingsomstandigheden. Grafeen is daarom potentieel zeer interessant voor moderne elektronicatoepassingen.

Onlangs werd ontdekt dat de hoge elektronische geleidbaarheid en het "massaloze" gedrag van zijn elektronen grafeen in staat stelt de frequentiecomponenten van elektrische stromen die er doorheen gaan te veranderen. Deze eigenschap is sterk afhankelijk van hoe sterk deze stroming is. Bij moderne elektronica een dergelijke niet-lineariteit omvat een van de meest elementaire functionaliteiten voor het schakelen en verwerken van elektrische signalen. Wat grafeen uniek maakt, is dat de niet-lineariteit ervan verreweg de sterkste van alle elektronische materialen is. Bovendien, het werkt heel goed voor uitzonderlijk hoge elektronische frequenties, strekt zich uit tot het technologisch belangrijke terahertz (THz) -bereik waar de meeste conventionele elektronische materialen falen.

In hun nieuwe studie het team van onderzoekers uit Duitsland en Spanje toonde aan dat de niet-lineariteit van grafeen zeer efficiënt kan worden gecontroleerd door relatief bescheiden elektrische spanningen op het materiaal aan te brengen. Voor deze, de onderzoekers maakten een apparaat dat op een transistor lijkt, waar een stuurspanning op grafeen kan worden toegepast via een reeks elektrische contacten. Vervolgens, ultrahoogfrequente THz-signalen werden verzonden met behulp van het apparaat:de transmissie en daaropvolgende transformatie van deze signalen werden vervolgens geanalyseerd in relatie tot de aangelegde spanning. De onderzoekers ontdekten dat grafeen bijna perfect transparant wordt bij een bepaalde spanning - de normaal gesproken sterke niet-lineaire respons verdwijnt bijna. Door de spanning iets te verhogen of te verlagen vanaf deze kritische waarde, grafeen kan worden omgezet in een sterk niet-lineair materiaal, waardoor de sterkte en de frequentiecomponenten van de verzonden en verzonden THz elektronische signalen aanzienlijk veranderen.

"Dit is een belangrijke stap voorwaarts in de richting van de implementatie van grafeen in toepassingen voor elektrische signaalverwerking en signaalmodulatie, " zegt prof. Dmitry Turchinovich, een natuurkundige aan de Universiteit van Bielefeld en een van de hoofden van deze studie. "Eerder hadden we al aangetoond dat grafeen verreweg het meest niet-lineaire functionele materiaal is dat we kennen. We begrijpen ook de fysica achter niet-lineariteit, die nu bekend staat als thermodynamisch beeld van ultrasnel elektronentransport in grafeen. Maar tot nu toe wisten we niet hoe we deze niet-lineariteit moesten beheersen, dat was de ontbrekende schakel met betrekking tot het gebruik van grafeen in alledaagse technologieën."

"Door de stuurspanning toe te passen op grafeen, we waren in staat om het aantal elektronen in het materiaal te veranderen dat vrij kan bewegen wanneer het elektrische signaal erop wordt toegepast, " legt Dr. Hassan A. Hafez uit, een lid van het laboratorium van professor Dr. Turchinovich in Bielefeld, en een van de hoofdauteurs van de studie. "Aan de ene kant, hoe meer elektronen kunnen bewegen als reactie op het aangelegde elektrische veld, hoe sterker de stroming, wat de niet-lineariteit zou moeten versterken. Maar aan de andere kant, hoe meer vrije elektronen er beschikbaar zijn, hoe sterker de interactie tussen hen is, en dit onderdrukt de niet-lineariteit. Hier hebben we aangetoond - zowel experimenteel als theoretisch - dat door het aanleggen van een relatief zwakke externe spanning van slechts enkele volts, de optimale omstandigheden voor de sterkste THz non-line-earity in grafeen kunnen worden gecreëerd."

"Met dit werk we hebben een belangrijke mijlpaal bereikt op weg naar het gebruik van grafeen als een uiterst efficiënt niet-lineair functioneel kwantummateriaal in apparaten zoals THz-frequentieomvormers, mixers, en modulatoren, " zegt professor Dr. Michael Gensch van het Instituut voor optische sensorsystemen van het Duitse lucht- en ruimtevaartcentrum (DLR) en de Technische Universiteit van Berlijn, wie is het andere hoofd van deze studie. "Dit is uiterst relevant omdat grafeen perfect compatibel is met bestaande elektronische ultrahoogfrequente halfgeleidertechnologie zoals CMOS of Bi-CMOS. Het is daarom nu mogelijk om hybride apparaten voor te stellen waarin het initiële elektrische signaal met een lagere frequentie wordt gegenereerd met behulp van bestaande halfgeleidertechnologie maar kan dan zeer efficiënt worden omgezet naar veel hogere THz-frequenties in grafeen, allemaal op een volledig controleerbare en voorspelbare manier."

Onderzoekers van de Universiteit van Bielefeld, het Instituut voor optische sensorsystemen van de DLR, de Technische Universiteit van Berlijn, het Helmholtz-centrum Dresden-Rossendorf, en het Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek in Duitsland, evenals het Catalaanse Instituut voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie (ICN2) en het Instituut voor Fotonische Wetenschappen (ICFO) in Spanje namen deel aan deze studie.