Flexibele, eenvoudig te schalen nanoribbons verplaatsen grafeen naar gebruik in technische toepassingen

Van radio tot televisie tot internet, telecommunicatie-uitzendingen zijn niets anders dan informatie die wordt overgedragen op lichtgolven en wordt omgezet in elektrische signalen.

Op silicium gebaseerde vezeloptica zijn momenteel de beste structuren voor snelle transmissies over lange afstanden, maar grafeen – een volledig koolstof, ultradun en aanpasbaar materiaal – zou de prestaties nog meer kunnen verbeteren.

In een studie gepubliceerd op 16 april in ACS Fotonica, Fabriceerden onderzoekers van de University of Wisconsin-Madison grafeen tot de kleinste lintstructuren tot nu toe met behulp van een methode die opschaling eenvoudig maakt. Bij tests met deze kleine linten ontdekten de wetenschappers dat ze de eigenschappen naderden die ze nodig hadden om grafeen bruikbaar te maken in telecommunicatieapparatuur.

“Eerder onderzoek suggereerde dat grafeen, om levensvatbaar te zijn voor telecommunicatietechnologieën, onbetaalbaar klein moet worden gestructureerd over grote gebieden, (wat) een fabricage-nachtmerrie is,” zegt Joel Siegel, een UW-Madison afgestudeerde student in de groep van natuurkundeprofessor Victor Brar co-hoofdauteur van de studie. “In onze studie hebben we een schaalbare fabricagetechniek ontwikkeld om de kleinste grafeenlintstructuren tot nu toe te maken, en we ontdekten dat we met bescheiden verdere reducties in de lintbreedte een begin kunnen maken met het telecommunicatiebereik.”

Grafeen wordt geprezen als een wondermateriaal voor technologieën zoals telecommunicatie of zonnecellen omdat het gemakkelijk is om mee te werken, relatief goedkoop is en unieke fysieke eigenschappen heeft, zoals zowel een isolator als een geleider van elektriciteit.

Indien gemodificeerd om te interageren met licht met hogere energie, zou grafeen kunnen worden gebruikt om telecommunicatiesignalen razendsnel te moduleren. Het kan bijvoorbeeld worden gebruikt om ongewenste communicatiefrequenties te blokkeren.

Een manier om de prestaties van grafeen te verbeteren, is door het in microscopisch kleine lintstructuren op nanometerschaal te snijden, die fungeren als kleine antennes die in wisselwerking staan ​​met licht. Hoe kleiner de antenne, hoe hoger het licht waarmee het in wisselwerking staat. Het kan ook worden “afgestemd” om te interageren met meerdere lichtenergieën wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd, waardoor de prestaties verder worden uitgebreid.

De onderzoekers, waaronder teams onder leiding van de UW-Madison-hoogleraren in materiaalkunde en engineering Michael Arnold en Padma Gopalan, wilden eerst een apparaat maken van grafeenlinten die smaller waren dan alles wat tot nu toe was gemaakt. Door lintvormige polymeren op grafeen te construeren en vervolgens een deel van het omringende materiaal weg te etsen, bleven ze achter met precies getrokken, onmogelijk dunne linten grafeen.

“Het is erg handig omdat er geen goede fabricagetechnieken zijn om tot de kenmerkgrootte te komen die we hebben gemaakt, 12 nanometer breed over een groot gebied”, zegt Siegel. “En er is geen verschil tussen patronen over de centimeter-schaal waarmee we hier werken en gigantische wafels van 15 cm die nuttig zijn voor industriële toepassingen. Het is heel gemakkelijk op te schalen.”

Met de gefabriceerde apparaten konden de onderzoekers vervolgens testen hoe de linten interageerden met licht en hoe goed ze die interactie konden beheersen.

In samenwerking met de groep van UW-Madison elektrische en computertechniek professor Mikhail Kats ‘, schenen ze verschillende golflengten van infrarood licht in de structuren en identificeerden ze de golflengte waar de linten en het licht het sterkst interageerden, bekend als de resonantiegolflengte.

Ze ontdekten dat naarmate de lintbreedte afneemt, ook de resonantiegolflengte van licht toeneemt. Lagere golflengten betekenen hogere energieën en hun apparaten werkten samen met de hoogste energieën die tot nu toe zijn gemeten voor gestructureerd grafeen.

De onderzoekers waren ook in staat om de linten af ​​te stemmen door de elektrische veldsterkte die op de structuren wordt toegepast te vergroten, waardoor de resonantiegolflengte van de structuren verder wordt verkleind. De onderzoekers stelden vast dat één structuur de verwachte flexibiliteit heeft die nodig is voor de technologische toepassingen die ze wilden bereiken.

Vervolgens vergeleken ze hun experimentele gegevens met het voorspelde gedrag van gestructureerd grafeen over drie verschillende lintbreedtes en drie elektrische veldsterktes. De bredere linten die de onderzoekers maakten, kwamen nauw overeen met het voorspelde gedrag.

Maar voor smallere linten zagen ze een zogenaamde blueshift, of een verschuiving naar hoger dan verwachte energieën. De blueshift kan worden verklaard door het feit dat elektronen in de kleinere linten eerder interactie met elkaar hebben – en elkaar afstoten.

“De blauwverschuiving die we hebben waargenomen, geeft aan dat telecommunicatiegolflengten kunnen worden bereikt met veel grotere structuren dan eerder werd verwacht – ongeveer 8 tot 10 nanometer – wat slechts marginaal kleiner is dan de structuren van 12 nanometer die we hebben gemaakt”, zegt Siegel.

Met het doel van acht tot tien nanometer veel dichterbij dan verwacht, proberen de onderzoekers nu hun fabricagemethoden aan te passen om de linten nog smaller te maken. Deze nieuwe grafeennanostructuren zullen ook verkenningen mogelijk maken naar de fundamentele fysica van interacties tussen licht en materie, onderzoek dat Siegel en collega’s momenteel nastreven.