Graphen trifft den richtigen Ton bei hohen Frequenzen und "boostet" von Gigahertz auf Terrahertz
@GrapheneAgenda
Graphen hat das Potenzial, eine neue Generation ultraschneller elektronischer Geräte hervorzubringen. Die derzeitige Siliziumtechnologie kann Taktraten - ein Maß dafür, wie schnell Geräte schalten können - von mehreren hundert Gigahertz (GHz) erreichen.
Graphen könnte Taktraten erreichen, die bis zu tausendmal schneller sind und die Elektronik in den Terahertz-Bereich (THz) bringen. Doch bisher war die Fähigkeit von Graphen, schwingende elektromagnetische Signale in höhere Frequenzen umzuwandeln, nur eine theoretische Vorhersage.
Nun haben Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der Universität Duisburg-Essen (UDE) in Zusammenarbeit mit dem Direktor des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) Mischa Bonn und anderen Forschern gezeigt, dass Graphen hochfrequente Gigahertz-Signale in den Terahertz-Bereich umwandeln kann [Hafez et al.,Nature (2018), https://doi.org/10.1038/s41586-018-0508-1
"Es ist uns gelungen, den ersten direkten Nachweis der Frequenzvervielfachung von Gigahertz auf Terahertz in einer Graphen-Monolage zu erbringen und elektronische Signale im Terahertz-Bereich mit bemerkenswerter Effizienz zu erzeugen", erklären Michael Gensch vom HZDR und Dmitry Turchinovich von der UDE.
Mit dem neuartigen supraleitenden Beschleuniger TELBE, einer Terahertz-Strahlungsquelle am ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlungsquellen des HZDR, beschossen die Forscher das durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellte Graphen mit elektromagnetischen Pulsen im Frequenzbereich von 300-680 GHz. Die Ergebnisse zeigen, dass Graphen, wie in früheren theoretischen Berechnungen vorhergesagt, in der Lage ist, diese Pulse in Signale mit der drei-, fünf- oder siebenfachen Ausgangsfrequenz umzuwandeln und damit den Terahertz-Bereich zu erreichen (Abb. 1).
"Wir konnten einen lange vorhergesagten Effekt in Graphen nicht nur erstmals experimentell nachweisen, sondern gleichzeitig auch quantitativ verstehen", betont Turchinovich.
Durch die Dotierung des Graphens haben die Forscher einen hohen Anteil an freien Elektronen oder eine sogenannte Fermi-Flüssigkeit erzeugt. Wenn ein äußeres Schwingungsfeld diese freien Elektronen anregt, erhitzen sie sich, ähnlich wie eine normale Flüssigkeit, und teilen ihre Energie mit den umliegenden Elektronen. Die heißen Elektronen bilden einen dampfähnlichen Zustand, genau wie eine verdampfende Flüssigkeit.
Wenn die heiße Fermi-Dampfphase abkühlt, kehrt sie extrem schnell in ihre flüssige Form zurück. Der Übergang zwischen diesen Dampf- und Flüssigkeitsphasen in Graphen führt zu einer entsprechenden Änderung der Leitfähigkeit. Diese sehr schnelle Oszillation der Leitfähigkeit ist die Ursache für den Frequenzvervielfachungseffekt.
"Theoretisch sollten damit Taktraten möglich sein, die bis zu tausendmal schneller sind als bei der heutigen Silizium-Elektronik", sagen Gensch und Turchinovich.
Die Umwandlungseffizienz von Graphen ist mindestens 7-18 Größenordnungen effizienter als die anderer elektronischer Materialien, betonen die Forscher. Da der Effekt mit massenhaft hergestelltem CVD-Graphen nachgewiesen wurde, sind sie der Ansicht, dass es außer der technischen Herausforderung, Graphen in Schaltkreise zu integrieren, keine wirklichen Hindernisse zu überwinden gibt.
"Unsere Entdeckung ist bahnbrechend", sagt Bonn. "Wir haben gezeigt, dass kohlenstoffbasierte Elektronik extrem effizient mit ultraschnellen Geschwindigkeiten arbeiten kann. Auch ultraschnelle Hybridbauteile aus Graphen und herkömmlichen Halbleitern sind nun denkbar."
Nathalie Vermeulen, Professorin in der Brüsseler Photonik-Gruppe (B-PHOT) an der Vrije Universiteit Brussel (VUB) in Belgien, stimmt zu, dass die Arbeit ein großer Durchbruch ist.
"Die nichtlinear-optische Physik von Graphen ist ein unzureichend verstandenes Gebiet, wobei die experimentellen Ergebnisse oft von den theoretischen Vorhersagen abweichen", sagt sie. "Diese neuen Erkenntnisse werfen jedoch ein neues Licht auf das nichtlinear-optische Verhalten von Graphen im Terahertz-Bereich."
Die experimentellen Ergebnisse der Forscher werden eindeutig durch die entsprechende Theorie unterstützt, fügt Vermeulen hinzu, die sehr überzeugend ist.
"Es kommt nicht oft vor, dass große Fortschritte im wissenschaftlichen Grundlagenverständnis und in der praktischen Anwendung Hand in Hand gehen, aber ich glaube, das ist hier der Fall", sagt sie. "Die Demonstration einer derart effizienten hochharmonischen Terahertz-Erzeugung bei Raumtemperatur ist sehr leistungsfähig und ebnet den Weg für konkrete Anwendungsmöglichkeiten."
Dieser Fortschritt könnte die Funktionalität von Graphen-Transistoren auf optoelektronische Anwendungen im Hochfrequenzbereich ausweiten und eröffnet die Möglichkeit eines ähnlichen Verhaltens in anderen zweidimensionalen Dirac-Materialien. Auch Marc Dignam von der kanadischen Queen's University sieht die technologischen Innovationen, die sich aus der Demonstration der nichtlinearen Reaktion von Monolayer-Graphen auf Terahertz-Felder ergeben könnten, positiv.
"Die Experimente werden bei Raumtemperatur in Luft durchgeführt, und angesichts der relativ kurzen Streuungszeit ist es offensichtlich, dass die Erzeugung von Oberschwingungen bei relativ moderaten Feldamplituden auftritt, selbst bei Proben, die nicht besonders rein sind", betont er. "Dies deutet darauf hin, dass die Erzeugung von Oberwellen in zukünftigen Geräten Einzug halten könnte, sobald effizientere Leitstrukturen, wie z. B. Wellenleiter, verwendet werden."
Seiner Meinung nach liegt der Schlüssel zum Erfolg der Arbeit in der rauscharmen Terahertz-Quelle (TELBE), die von den Forschern verwendet wurde. Weniger überzeugt ist Dignam jedoch von der theoretischen Erklärung des Teams für die nichtlineare Reaktion von Graphen.
Zweifellos werden diese aufregenden Ergebnisse weitere mikroskopische theoretische Untersuchungen anregen, die die Ladungsträgerdynamik in Graphen genauer untersuchen.
Dieser Artikel wurde ursprünglich in Nano Today 23 (2018) 2-3 veröffentlicht.
Artikel urspr. aus 2018, Quelle 2019:
https://www.materialstoday.com/carbon/news/graphene-hits-the-right-note-at-high-frequencies/