Van radio tot televisie tot internet, telecommunicatietransmissies zijn eenvoudigweg informatie die op lichtgolven wordt overgebracht en in elektrische signalen wordt omgezet.

Op silicium gebaseerde glasvezels zijn momenteel de beste structuren voor snelle, transmissies over lange afstanden, maar grafeen - een volledig koolstof, ultradun en aanpasbaar materiaal - zou de prestaties nog meer kunnen verbeteren.

In een studie gepubliceerd op 16 april in ACS Fotonica , Onderzoekers van de University of Wisconsin-Madison fabriceerden grafeen tot nu toe tot de kleinste lintstructuren met behulp van een methode die opschalen eenvoudig maakt. In tests met deze kleine linten, de wetenschappers ontdekten dat ze de eigenschappen naderden die ze nodig hadden om grafeen bruikbaar te maken in telecommunicatieapparatuur.

"Eerder onderzoek suggereerde dat om levensvatbaar te zijn voor telecommunicatietechnologieën, grafeen zou onbetaalbaar klein gestructureerd moeten zijn over grote gebieden, (wat is) een verzinselnachtmerrie, " zegt Joël Siegel, een UW-Madison afgestudeerde student natuurkunde professor Victor Brar's groep en co-hoofdauteur van de studie. "In onze studie we creëerden een schaalbare fabricagetechniek om de kleinste grafeenlintstructuren tot nu toe te maken en ontdekten dat met een bescheiden verdere vermindering van de lintbreedte, we kunnen beginnen met het bereiken van telecommunicatiebereik."

Grafeen wordt geprezen als een wondermateriaal voor technologieën zoals telecommunicatie of zonnecellen omdat het gemakkelijk is om mee te werken, is relatief goedkoop, en heeft unieke fysieke eigenschappen, zoals zowel een isolator als een geleider van elektriciteit.

Indien aangepast om te interageren met licht van hogere energie, grafeen kan worden gebruikt om telecommunicatiesignalen razendsnel te moduleren. Bijvoorbeeld, het zou kunnen worden gebruikt om ongewenste communicatiefrequenties te blokkeren.

Een manier om de prestaties van grafeen te verbeteren, is door het in microscopisch kleine, lintstructuren op nanometerschaal, die fungeren als kleine antennes die interageren met licht. Hoe kleiner de antenne, de hogere energieën van licht waarmee het in wisselwerking staat. Het kan ook worden "afgestemd" om te interageren met meerdere lichtenergieën wanneer een elektrisch veld wordt toegepast, de prestaties verder uitrekken.

De onderzoekers, inclusief teams onder leiding van UW-Madison, professoren materiaalwetenschappen en techniek, Michael Arnold en Padma Gopalan, wilde eerst een apparaat maken van grafeenlinten die smaller waren dan alles wat tot nu toe was gemaakt. Door lintvormige polymeren bovenop grafeen te construeren en vervolgens een deel van het omringende materiaal weg te etsen, ze bleven achter met nauwkeurig getekend, onmogelijk dunne linten grafeen.

"Het is erg handig omdat er geen goede fabricagetechnieken zijn om tot de functiegrootte te komen die we hebben gedaan, 12 nanometer breed over een groot gebied, "zegt Siegel. "En er is geen verschil tussen patronen over de centimeterschaal waarmee we hier werken en gigantische wafels van zes inch die nuttig zijn voor industriële toepassingen. Het is heel eenvoudig op te schalen."

Met de apparaten gefabriceerd, de onderzoekers konden vervolgens testen hoe de linten in wisselwerking stonden met licht en hoe goed ze die interactie konden beheersen.

In samenwerking met de groep van UW-Madison elektrische en computertechniek professor Mikhail Kats, ze schenen verschillende golflengten van infrarood licht in de structuren en identificeerden de golflengte waar de linten en het licht het sterkst op elkaar inwerkten, bekend als de resonantiegolflengte.

Ze ontdekten dat naarmate de lintbreedte afneemt, dat geldt ook voor de resonantiegolflengte van licht. Lagere golflengten betekenen hogere energieën, en hun apparaten hadden interactie met de hoogste energieën die tot nu toe zijn gemeten voor gestructureerd grafeen.

De onderzoekers waren ook in staat om de linten af ​​te stemmen door de elektrische veldsterkte op de structuren te vergroten, verdere vermindering van de resonantiegolflengte van de structuren. De onderzoekers stelden vast dat één structuur de verwachte flexibiliteit heeft die nodig is voor de technologische toepassingen die ze wilden bereiken.

Vervolgens vergeleken ze hun experimentele gegevens met het voorspelde gedrag van gestructureerd grafeen over drie verschillende lintbreedtes en drie elektrische veldsterkten. De bredere linten die de onderzoekers maakten, kwamen nauw overeen met het voorspelde gedrag.

Maar voor smallere linten, ze zagen een zogenaamde blauwverschuiving, of een verschuiving naar hoger dan verwachte energieën. De blauwverschuiving kan worden verklaard door het feit dat elektronen in de kleinere linten meer kans hebben om met elkaar in wisselwerking te staan ​​​​en elkaar af te stoten.

"De blauwverschuiving die we hebben waargenomen, geeft aan dat telecommunicatiegolflengten kunnen worden bereikt met veel grotere structuren dan eerder werd verwacht - ongeveer acht tot tien nanometer - wat slechts marginaal kleiner is dan de structuren van 12 nanometer die we hebben gemaakt, "zegt Siegel.

Met het doel van acht tot tien nanometer veel dichterbij dan verwacht, de onderzoekers proberen nu hun fabricagemethoden aan te passen om de linten nog smaller te maken. Deze nieuwe grafeen-nanostructuren zullen ook verkenningen mogelijk maken naar de fundamentele fysica van licht-materie-interacties, onderzoek dat Siegel en collega's momenteel nastreven.