Natuurkundigen van het Moskouse Instituut voor Natuurkunde en Technologie hebben samen met collega's van de Moskouse Staatspedagogische Universiteit en de Universiteit van Manchester een zeer gevoelige terahertz-stralingsdetector gemaakt op basis van het tunneleffect in grafeen. In feite werd een veldeffecttunneltransistor omgezet in een detector, die kon worden geopend door signalen "uit de lucht", en niet via conventionele circuits kon worden verzonden.
Kwantumtunneling. Bron afbeelding: Daria Sokol, MIPT-persdienst
De ontdekking, die was gebaseerd op de ideeën van natuurkundigen Mikhail Dyakonov en Mikhail Shur die begin jaren negentig werden voorgesteld, brengt het tijdperk van draadloze terahertz-technologieën dichterbij. Dit betekent dat de snelheid van draadloze communicatie vele malen zal toenemen, en dat radar- en beveiligingstechnologieën, radioastronomie en medische diagnostiek naar een geheel nieuw niveau zullen stijgen.
Het idee van de Russische natuurkundigen was dat de tunneltransistor niet zou worden gebruikt voor signaalversterking en demodulatie, maar als een apparaat dat “op zichzelf het gemoduleerde signaal omzet in een reeks bits of steminformatie vanwege de niet-lineaire relatie tussen stroom en spanning.” Met andere woorden, het tunneleffect kan optreden bij een extreem laag signaalniveau aan de poort van de transistor, waardoor de transistor zelfs vanuit een zeer zwak signaal een tunnelstroom (open) kan initiëren.
Waarom is het klassieke schema van het gebruik van transistors niet geschikt? Bij de overstap naar het terahertz-bereik hebben de meeste bestaande transistors geen tijd om de vereiste lading te ontvangen, dus het klassieke radiocircuit met een zwakke signaalversterker op een transistor gevolgd door demodulatie wordt ineffectief. Het is noodzakelijk om de transistoren te verbeteren, die ook tot een bepaalde limiet werken, of om iets heel anders aan te bieden. Russische natuurkundigen hebben precies dit ‘andere’ voorgesteld.
Grafeentunneltransistor als terahertz-detector. Bron afbeelding: Nature Communications
“Het idee van een sterke reactie van een tunneltransistor op lage spanningen is al zo’n vijftien jaar bekend”, zegt een van de auteurs van het onderzoek, hoofd van het laboratorium voor opto-elektronica van tweedimensionale materialen van het Centrum voor Fotonica. en tweedimensionale materialen bij MIPT, Dmitry Svintsov. “Vóór ons realiseerde niemand zich dat dezelfde eigenschap van een tunneltransistor zou kunnen worden gebruikt in terahertz-detectortechnologie.” Zoals wetenschappers hebben vastgesteld: “Als een transistor goed opent en sluit bij een laag vermogen van het stuursignaal, dan zou hij ook goed moeten zijn in het oppikken van een zwak signaal uit de lucht.”
Voor het experiment, beschreven in het tijdschrift Nature Communications, werd een tunneltransistor gemaakt op dubbellaags grafeen. Uit het experiment bleek dat de gevoeligheid van het apparaat in de tunnelmodus enkele ordes van grootte hoger is dan die in de klassieke transportmodus. Zo bleek de experimentele transistordetector qua gevoeligheid niet slechter te zijn dan vergelijkbare supergeleider- en halfgeleiderbolometers die op de markt verkrijgbaar zijn. De theorie suggereert dat hoe zuiverder het grafeen is, hoe hoger de gevoeligheid zal zijn, wat de mogelijkheden van moderne terahertz-detectoren ver te boven gaat, en dit is geen evolutie, maar een revolutie in de industrie.
Bron: 3dnews.ru