Graphen Nanoelektronik: Auf dem Weg zur Überschreitung der Terahertz-Grenze
Einfache Thermodynamik bestimmt das Verhalten von ultraschnellen Graphen-Transistoren und Photodetektoren
Ein Team von Forschern am Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) hat herausgefunden, dass die thermischen Eigenschaften von Leitungselektronen in Graphen denen von Gasen ähnlich sind. Dieser einfache thermodynamische Ansatz ist auf der Zeitskala von Pikosekunden gültig, wobei eine Pikosekunde ein Billionstel einer Sekunde ist. Diese Erkenntnis über die elektrische Leitfähigkeit in Graphen eröffnet einen Weg zu verbesserten Leistungen von ultraschnellen Transistoren.
Terahertzfeld und Graphen beeinflussen sich gegenseitig, was zu einer effizienten Erwärmung der Elektronen führt. Die Leitfähigkeit des Graphens wird dabei stark verändert.
© Zoltan Mics / MPI-P
Die Wissenschaftler entdeckten, dass in Graphen die Energie von ultraschnellen elektrischen Strömen sehr effizient in Elektronenwärme umgewandelt wird. Die Elektronen in Graphen verhalten sich dabei wie ein heißes Gas. „Die Wärme verteilt sich gleichmäßig über alle Elektronen. Der Anstieg der Elektronentemperatur durch die fließenden Ströme hat wiederum starke Auswirkungen auf die elektrische Leitfähigkeit des Graphens“, erklärt Professor Dr. Mischa Bonn, Direktor am MPI-P. Die Ergebnisse finden sich in der Studie “Thermodynamic picture of ultrafast charge transport in graphene”, die kürzlich in Nature Communications veröffentlicht wurde.
Graphen - eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen - ist für seine sehr gute elektrische Leitfähigkeit bekannt. Daher findet Graphen zahlreiche Anwendungen in moderner Nanoelektronik. Diese Vielfalt reicht von hocheffizienten Detektoren für optische und drahtlose Kommunikation bis hin zu extrem schnell arbeitenden Transistoren. Die ständig wachsende Nachfrage nach Übertragungsbandbreite erfordert eine stetige Beschleunigung der Vorgänge in elektronischen Geräten bis hin zu Antwortzeiten von Pikosekunden. „Unsere Ergebnisse sorgen nicht nur für ein besseres Verständnis der auf Graphen basierenden Nanoelektronik, sondern auch für eine verbesserte Leistung von Bauelementen, wie beispielsweise Photodetektoren oder Hochgeschwindigkeits-Transistoren“, sagt Professor Dr. Dmitry Turchinovich, Projektleiter am MPI-P. Die Wissenschaftler erhoffen sich davon, neue Herausforderungen zu bewältigen. Dazu gehört insbesondere die Überschreitung der Terahertz-Grenze - eine Billion Schwingungen pro Sekunde - in Graphen-Transistoren.
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