Lukning Af Thz Gap Med Graphene-Baserede Enheder

{h1}

Nylige udviklinger i effektive, omkostningseffektive, grafenbaserede materialer og enheder til terahertz-vågemanipulation har åbnet døren til nye, forbedrede applikationer inden for billedbehandling og kommunikation.

Dette bag scenerne blev leveret til WordsSideKick.com i samarbejde med National Science Foundation.

Vi tænker sjældent på det, men elektromagnetiske bølger er en integreret del af vores hverdag. På en given dag bruger vi mobiltelefoner, tv'er, radioer og mikrobølgeovne til at manipulere, generere og detektere elektromagnetiske bølger med det formål at transmittere information eller energi. Selv vores egne kroppe interagerer med disse bølger, når vores øjne opdager og behandler synligt lys.

Selvom alle elektromagnetiske bølger rejser ved lysets hastighed, eller ca. 186.282 miles per sekund, bestemmer længden og frekvensen af ​​bølgen sin ultimative brug. De længste bølger, også kendt som radiobølger, kan rejse langt afstande, der gør dem perfekte til at sende data til fjernsyn, radioer og mobiltelefoner. Det næste område af spektret er mikrobølger. Disse mindre bølger bærer information til satellitter og vejrradarer samt giver energi via mikrobølgeovne. Det resterende elektromagnetiske spektrum består af terahertz, infrarød, synlig og ultraviolet stråling samt røntgenstråler og gammastråler. Som med radio og mikrobølger udforskes disse regioner løbende og undersøges for nye enhedsapplikationer.

Indtil for nylig var THz-frekvensområdet - placeret mellem fjerninfrarøde og mikrofonbånd med høj frekvens - en af ​​de mindst udnyttede regioner i det elektromagnetiske spektrum. Med evnen til at bære mere information end sine nærliggende radio- og mikrobølgefrekvenser, har THz-bølger vist et stort potentiale for applikationer inden for screening af sundhedspleje, kemisk sensing, objektdetektering og trådløs trådløs kommunikation. Imidlertid er de fleste THz-kilder og enheder, der anvendes i dag, omfangsrige og dyre, hvilket begrænser deres anvendelse og tilgængelighed. Udviklingen af ​​billige, kompakte og effektive THz-materialer og -anordninger vil udvide, hvis ikke katalysere forskning i denne region af spektret. Den nylige udvikling af et nyt naturligt forekommende og kunstigt konstrueret materiale lukker dette såkaldte "THz gap".

En forskergruppe ledet af Huili (Grace) Xing ved University of Notre Dame med støtte fra National Science Foundation, har aktivt udviklet grafenbaserede enheder, der er i stand til effektivt at manipulere THz-bølger. Graphen, et atomt tykt ark med bundne carbonatomer, kan modulere eller variere THz-bølgernes egenskaber - hvilket gør det til et ideelt valg for THz-baserede enheder og systemer. "Graphene er et mirakelmateriale til THz-applikationer," siger Xing. "Dette skyldes dets todimensionale karakter, hvilket fører til ekstraordinære elektriske og optiske egenskaber og nem fremstilling, hvilket fører til hidtil usete frihedsgrader i form af enhed og systemdesign."

Xing, hendes kolleger og studerende ved Universitetet i Notre Dame sigter mod at udvikle billige, kompakte og højtydende grafenbaserede THz-systemer, såsom kameraer og højhastighedskommunikationschips. "Forstå interaktionen af ​​graphene med THz-bølger er nøglen til udvikling af disse THz-enheder," siger Xing. Hendes gruppe er afhængig af numeriske simuleringer og teoretiske beregninger til at konstruere deres enheder, inden de fremstilles i laboratoriet.

De grafenbaserede THz-enheder, der foreslås og udvikles af gruppen hidtil, består af et lag af grafen og et andet todimensionelt elektronag, adskilt af en tynd isolator. Grafenlaget påvirker egenskaberne af de bølger, der passerer gennem materialet, medens det isolerende lag tjener til at skabe et ikke-ledende rum mellem grafenet og det andet elektronlag. Ved at anvende en spænding mellem disse lag kan absorptionen af ​​THz-bølger indstilles fra tæt på nul til næsten 100 procent. "Det er fantastisk, at vi kan observere et så stærkt THz-svar, da grafen er et atomtykt materiale," siger Berardi Sensale-Rodriguez, en kandidatstuderende i Xings gruppe. "Dette er et resultat af den høje elektriske ledningsevne, der kan opnås i grafen, sammen med muligheden for at konstruere enhedsstrukturer, hvor det elektriske felt forstærkes i grafenlagene," forklarer Xing.

I en nylig offentliggjort artikel om deres arbejde ("Broadband graphene terahertz modulators aktiveret af intraband transitions", Nature Communications, 2012) rapporterede gruppen deres udvikling af en THr modulator med egentlig bredbånd baseret på grafenark. Med andre ord en enhed, der er i stand til at modulere THz-bølger i et bredt spektrum af frekvenser. Denne modulator afslørede mere end dobbelt THz-manipulationen af ​​tidligere bredbåndsintensitetsmodulatorer. Det er også den første demonstration af en grafenbaseret enhed, der kun er aktiveret af intraband-overgange. Ved at justere lagene eller overgange i grafenmaterialet kan THz-bølger indstilles og manipuleres. En sådan effektiv THz-modulering kan resultere i hidtil uset ydeevne, når den anvendes på enheder.

Denne nye anvendelse af graphene baner vejen for udviklingen af ​​kompakte, omkostningseffektive og yderst effektive THz-enheder baseret på grafen og beslægtede materialer. I de nærmeste fremtid kan disse materialer og udstyr give vores hverdag liv med sådanne fremskridt som forbedrede kommunikationssystemer og sikrere og mere defineret medicinsk billeddannelse.

Redaktørens note: Forskerne, der er afbildet i artiklerne bag scener, er blevet støttet af National Science Foundation, det føderale agentur, der er ansvarlig for finansiering af grundforskning og uddannelse på tværs af alle områder inden for videnskab og teknik. Eventuelle udtalelser, konklusioner og konklusioner eller anbefalinger udtrykt i dette materiale er forfatterens og afspejler ikke nødvendigvis Nationale Videnskabsstiftelsens synspunkter. Se Bag scener arkivet.


Video Supplement: .




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com