Le graphène permet des fréquences d'horloge dans la gamme des térahertz

Anonim

Le graphène - un matériau ultra-mince constitué d’une seule couche d’atomes de carbone liés entre eux - est considéré comme un candidat prometteur pour la nanoélectronique du futur. En théorie, il devrait permettre des fréquences d'horloge jusqu'à mille fois plus rapides que l'électronique à base de silicium d'aujourd'hui. Des scientifiques du Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et de l'Université de Duisburg-Essen (UDE), en coopération avec l'Institut Max Planck de recherche sur les polymères (MPI-P), ont montré pour la première fois que le graphène pouvait réellement convertir des signaux électroniques avec des fréquences dans la gamme de gigahertz - qui correspondent aux fréquences d'horloge actuelles - extrêmement efficaces dans des signaux avec une fréquence plusieurs fois plus élevée. Les chercheurs présentent leurs résultats dans la revue scientifique Nature .

Aujourd'hui, les composants électroniques à base de silicium fonctionnent à des cadences de plusieurs centaines de gigahertz (GHz), c'est-à-dire qu'ils changent plusieurs milliards de fois par seconde. L'industrie électronique essaie actuellement d'accéder à la plage des térahertz (THz), c'est-à-dire jusqu'à mille fois plus rapides. Un matériau prometteur et un successeur potentiel du silicium pourrait être le graphène, qui présente une conductivité électrique élevée et est compatible avec toutes les technologies électroniques existantes. En particulier, la théorie a longtemps prédit que le graphène pourrait être un matériau électronique "non linéaire" très efficace, c'est-à-dire un matériau capable de convertir très efficacement un champ électromagnétique oscillant appliqué dans des champs de fréquence beaucoup plus élevée. Cependant, tous les efforts expérimentaux visant à prouver cet effet sur le graphène au cours des dix dernières années n’ont pas abouti.

"Nous sommes maintenant en mesure de fournir la première preuve directe de multiplication de fréquence du gigahertz au térahertz dans une monocouche de graphène et de générer des signaux électroniques dans la gamme des térahertz avec une efficacité remarquable", explique Michael Gensch. et exploite la nouvelle source de rayonnement térahertz TELBE au HZDR. Et pas seulement cela - leurs partenaires de coopération dirigés par le professeur Dmitry Turchinovich, physicien expérimental à l'université de Duisburg-Essen (UDE), ont réussi à décrire les mesures quantitativement bien en utilisant un modèle simple basé sur les principes physiques fondamentaux de la thermodynamique.

Avec cette percée, les chercheurs ouvrent la voie à la nanoélectronique à base de graphène ultrarapide: «Nous avons non seulement été en mesure de démontrer expérimentalement un effet à long terme dans le graphène pour la première fois, mais aussi de le comprendre en même temps, "souligne le professeur Dmitry Turchinovich. "Dans mon laboratoire, nous étudions depuis plusieurs années les mécanismes physiques de base de la non-linéarité électronique du graphène. Cependant, nos sources lumineuses n'étaient pas suffisantes pour détecter et quantifier la multiplication de fréquence propre et claire. Pour cela, nous avions besoin de capacités expérimentales qui ne sont actuellement disponibles que sur le site de TELBE. "

La preuve expérimentale tant attendue de la génération extrêmement efficace des harmoniques térahertz dans le graphène a réussi à l'aide d'une astuce: les chercheurs ont utilisé du graphène qui contient de nombreux électrons libres, issus de l'interaction du graphène avec le substrat sur lequel il est déposé, ainsi qu'avec l'air ambiant. Si ces électrons mobiles sont excités par un champ électrique oscillant, ils partagent très rapidement leur énergie avec les autres électrons du graphène, qui réagissent alors un peu comme un fluide chauffé: à partir d'un "liquide" électronique figuratif, une "vapeur" électronique dans le graphène. Le passage de la phase "liquide" à la phase "vapeur" se produit dans des milliards de secondes et provoque des modifications particulièrement rapides et fortes de la conductivité du graphène. Ceci est l'effet clé conduisant à une multiplication efficace des fréquences.

Les scientifiques ont utilisé des impulsions électromagnétiques provenant de l'installation TELBE avec des fréquences comprises entre 300 et 680 gigahertz et les ont converties dans le graphène en impulsions électromagnétiques avec une fréquence initiale de trois, cinq et sept fois supérieure à la fréquence térahertz. "Les coefficients non linéaires décrivant l'efficacité de la génération de ces troisième, cinquième et septième fréquences harmoniques étaient exceptionnellement élevés", explique Turchinovich. "Le graphène est donc probablement le matériau électronique le plus fortement non linéaire connu à ce jour. Le bon accord des valeurs mesurées avec notre modèle thermodynamique suggère que nous pourrons également l'utiliser pour prédire les propriétés des dispositifs nanoélectroniques ultra-rapides en graphène. " Le professeur Mischa Bonn, directeur du MPI-P, qui a également participé à ces travaux, souligne: "Notre découverte est révolutionnaire. Nous avons démontré que l’électronique à base de carbone peut fonctionner de manière extrêmement efficace à des vitesses ultra-rapides. Composants hybrides ultra-rapides en graphène et les semi-conducteurs traditionnels sont également envisageables. "

L'expérience a été réalisée en utilisant la nouvelle source de rayonnement térahertz à base de TELBE, basée sur un accélérateur supraconducteur, au Centre ELBE pour les sources de rayonnement à haute puissance au HZDR. Son taux de pulsations cent fois supérieur à celui des sources térahertz classiques basées sur des lasers a permis d'obtenir la précision de mesure requise pour l'étude du graphène. Une méthode de traitement de données développée dans le cadre du projet EU EUCALL permet aux chercheurs d’utiliser effectivement les données de mesure prises avec chacune des 100 000 impulsions lumineuses par seconde. "Pour nous, il n'y a pas de données erronées", déclare Gensch. "Comme nous pouvons mesurer chaque impulsion, nous gagnons des ordres de grandeur en termes de précision de mesure. En termes de technologie de mesure, nous sommes à la limite de ce qui est actuellement réalisable." Les premiers auteurs de l'article sont les deux jeunes scientifiques Hassan A. Hafez (UDE / MPI-P) et Sergey Kovalev (HZDR).

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