Die THz-Kluft mit Graphen-basierte Geräte


Behind the Scenes Artikel wurde LiveScience in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Wir haben selten darüber nachdenken, sondern elektromagnetische Wellen sind fester Bestandteil unseres täglichen Lebens. An einem bestimmten Tag beschäftigen wir Handys, Fernseher, Radios und Mikrowellen zu manipulieren, zu generieren und elektromagnetische Wellen zum Zwecke der Übermittlung von Informationen oder Energie zu erkennen. Sogar unsere Körper interagieren mit diesen Wellen, wenn unsere Augen erkennen und verarbeiten von sichtbarem Licht.

Obwohl alle elektromagnetischen Wellen mit der Geschwindigkeit von Licht oder ungefähr 186.282 Meilen pro Sekunde Reisen, bestimmt die Dauer und Häufigkeit der Welle seine endgültige Verwendung. Die längsten Wellen, auch bekannt als Radiowellen, können weite Strecken, so dass sie perfekt zur Datenübermittlung, Fernsehgeräte, Radios und Handys Reisen. Der nächste Bereich des Spektrums ist Mikrowellen. Diese kleineren Wellen tragen Informationen zu Satelliten und Wetter-Radar sowie Energie über Mikrowellen zu vermitteln. Die restlichen elektromagnetischen Spektrums besteht aus Terahertz, Infrarot, sichtbare und ultraviolette Strahlung sowie Röntgen- und Gammastrahlen. Wie bei Radio- und Mikrowellen, sind diese Regionen kontinuierlich erkundet und erforscht neue Geräteanwendungen.

Bis vor kurzem die THz-Frequenzbereich – befindet sich zwischen dem fernen Infrarot und Mikrowelle Hochfrequenzbänder – war eines der wenigsten genutzten Regionen des elektromagnetischen Spektrums. Mit der Fähigkeit, mehr Informationen als die benachbarten Radio und Mikrowelle Frequenzen zu tragen haben THz Wellen großes Potenzial für Anwendungen im Gesundheitswesen Screening, chemische Sensorik, Objekterkennung und High-Speed-Wireless-Kommunikation gezeigt. Allerdings sind die meisten THz Quellen und Geräte, die heute verwendeten sperrig und teuer, die Grenzen ihrer Anwendung und Verfügbarkeit. Die Entwicklung der billige, kompakt und effizient THz Materialien und Geräte würde wenn nicht katalysieren Forschung auf diese Region des Spektrums zu erweitern. Die jüngste Entwicklung von einem neuen natürlich vorkommenden und künstlich konstruiert Material schließt diese so genannte "THz-Lücke."

Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Huili (Grace) Xing an der University of Notre Dame, mit Unterstützung der National Science Foundation, hat aktiv Graphen-basierte Geräte in der Lage effizient manipulieren THz Wellen entwickelt. Graphen, ein Atom dick Blatt gebundenen Kohlenstoff-Atome kann modulieren oder variieren die Eigenschaften der THz Wellen – machen es zur idealen Wahl für THz-basierte Geräte und Systeme. "Graphen ist ein Wunder-Material für THz-Anwendungen", sagt Xing. "Dies ist naturgemäß zweidimensionalen, führt zu außergewöhnlichen elektrischen und optischen Eigenschaften und einfache Herstellung, führt zu noch nie da gewesenen Freiheitsgrade im Hinblick auf Gerät und System Design zu verdanken."

XING, ihre Kollegen und Studenten an der University of Notre Dame wollen billige, kompakt zu entwickeln und Hochleistungs-Graphen-basierte THz Systeme wie Kameras und hohe Geschwindigkeit Kommunikation Chips. "Das Verständnis der Interaktion von Graphen mit THz Wellen ist der Schlüssel für die Entwicklung dieser THz-Geräte", sagt Xing. Ihre Gruppe setzt auf numerische Simulationen und theoretischen Berechnungen, ihre Geräte zu entwickeln, bevor sie im Labor herstellen.

Die Graphen-basierte THz-Geräte vorgeschlagen und von der Gruppe so weit entwickelt bestehen aus einer Schicht von Graphen und noch eine zweidimensionale Schicht von Elektronen, die durch einen dünnen Isolator voneinander getrennt. Die Graphen-Schicht beeinflusst die Eigenschaften der Wellen, die durch das Material während die Isolierschicht dient dazu, einen nichtleitenden Raum zwischen den Graphen und zweite Elektron Schicht zu schaffen. Durch Anlegen einer Spannung zwischen diesen Schichten, kann die Aufnahme von THz Wellen von nahe Null bis fast 100 Prozent abgestimmt werden. "Es ist erstaunlich, dass wir solch eine starke THz-Reaktion beobachten können, bedenkt, dass Graphen ist ein Atom dick Material", sagt Berardi Sensale-Rodriguez, ein Doktorand in Xings-Gruppe. "Dies ist ein Ergebnis der hohen elektrischen Leitfähigkeit im Graphen, zusammen mit der Möglichkeit des Baus Gerät Strukturen wo das elektrische Feld in den Graphen-Schichten verbessert wird", erklärt Xing.

In einem kürzlich erschienenen Artikel über ihre Arbeit veröffentlicht ("Breitband-Graphen Terahertz-Modulatoren aktiviert durch Intraband Übergänge", Nature Communications, 2012), verzeichnete der Konzern ihre Entwicklung ein intrinsisch Breitband THz-Modulator basierend auf Graphene Blätter. Das heißt, "Wellenlinien" ein Gerät, das modulierende THz in eine Vielzahl von Frequenzen. Diese Modulator ergab mehr als das doppelte die THz Manipulation der vorherige Breitband Intensität Modulatoren. Es ist auch die erste Demonstration eines Graphen-basierte Gerät ausschließlich durch Intraband Übergänge ermöglicht. Durch die Anpassung der Schichten oder Übergänge innerhalb des Graphen Materials, können THz Wellen abgestimmt und manipuliert werden. Diese effiziente THz-Modulation kann bisher unerreichte Leistung bei Anwendung auf Geräte führen.

Diese neuartige Anwendung von Graphen ebnet den Weg für die Entwicklung der kompakte, kostengünstige und hocheffiziente THz-Geräte basierend auf Graphen und verwandten Materialien. In naher Zukunft können diese Materialien und Geräte bieten unseren Alltag mit solche Fortschritte als verbesserte Kommunikationssysteme und sicherer, mehr hoch definierte medizinische Bildgebung.

Anmerkung der Redaktion: Dargestellt, die Forscher in Behind the Scenes Artikel von der National Science Foundation, der Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik unterstützt wurden. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Siehe die hinter die Kulissen-Archiv.

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