Туннелирование в графене обеспечивает связь
Туннелирование в графене обеспечивает связь
5 февраля 2021
Сотворен способный работать в терагерцовом спектре частот весьма чувствительный сенсор радиосигнала, использующий туннельный эффект в транзисторе на базе графена.
Физики Столичного физико-технического института, Столичного педагогического муниципального института и института Манчестера разработали высокочувствительный сенсор терагерцового радиосигнала (спектр частот приблизительно 3·1011–3·1012 Гц) на базе туннельного эффекта в графене. Чувствительность устройства уже превосходит коммерчески доступные аналоги на базе полупроводников и сверхпроводников, что открывает перспективы его использования в беспроводных коммуникациях, системах сохранности, радиоастрономии и мед диагностике. Результаты исследования размещены в журнальчике Nature Communications.
Художественное изображение туннельного транзистора в виде «сэндвича» из 2-ух слоев графена с «внутренностью» в виде нитрида бора и дисульфида молибдена (Институт Манчестера) .
Открыть в полном размере
‹
›
Передача инфы при помощи электромагнитных волн базирована на изменении характеристик несущей непрерывной частотной волны в согласовании с передаваемым информационным сигналом. Этот процесс именуется модуляцией. Так, для передачи цифровой инфы можно создавать последовательность отрезков излучения — битов инфы. Чтоб передавать информацию резвее, нужно почаще сформировывать эти отрезки, другими словами наращивать частоту модуляции. При всем этом продолжительность отрезков миниатюризируется, и нужно сразу наращивать и частоту заполняющего их несущего излучения.
Если обычное FM-радио употребляет радиоволны на частотах в сотки мгц, то несущая частота Wi-Fi-передатчика составляет уже около 5 гигагерц, а для мобильных систем передачи данных поколения 5G эта частота доходит до 20 гигагерц. И это далековато не предел, так как предстоящее увеличение несущей частоты обещает в перспективе соответственное повышение скорости передачи данных. Но работать с сигналами, имеющими частоту в сотки гигагерц и выше, существенно труднее, чем с сигналами на наиболее низких частотах.
Обычный приёмник радиосигнала состоит из усилителя на базе транзистора и сенсора (демодулятора), «извлекающего» нужный сигнал из частотного модулированного тока. Эта схема, отлично работающая на радио и телевидении, становится неэффективной на планируемых для мобильных систем частотах в сотки гигагерц. Дело в том, что большая часть имеющихся транзисторов не способны работать на настолько высочайшей частоте.
Большая часть исследователей пробуют решить эту делему повышением быстродействия транзисторов. Другой путь на теоретическом уровне предложили сначала 1990-х годов физики Миша Дьяконов и Миша Шур. Он заключается в использовании транзистора не для усиления, а для детектирования сигнала. Воплотить этот подход на практике в первый раз удалось создателям данной работы в 2018 году. Тогда они употребляли обыденный полевой транзистор. В этом полупроводниковом устройстве током, идущим по каналу от истока к стоку, можно управлять напряжением, прикладываемым к затвору. Его работа припоминает управление потоком воды при помощи крана, играющего роль затвора.
На данный момент же исследователи проявили, что терагерцовый сигнал весьма отлично можно детектировать при помощи особенного вида полевых транзисторов, который именуется туннельным. В их электроны для сотворения тока должны преодолевать электронный барьер меж истоком и стоком благодаря туннельному эффекту. Это только квантовое явление, так как исходя из убеждений традиционной физики этот барьер для электронов непреодолим. Подача напряжения на затвор приводит к изменению энергетических уровней электронов в истоке и канале, что меняет возможность туннелирования и, соответственно, величину тока. Отличительная черта туннельного транзистора – весьма мощная чувствительность к управляющему напряжению. Ведь даже маленький «расстройки» энергетических уровней довольно, чтоб оборвать процесс туннелирования либо напротив «включить» его.
В крайнее десятилетие туннельные полевые транзисторы отыскали применение в низковольтных электронных и оптических переключателях, хим и био датчиках. Но для детектирования высокочастотных сигналов они пока не использовались. Это даже умопомрачительно, беря во внимание недавнешние заслуги в разработке туннельных высокочастотных выпрямителей, диодов и сверхпроводящих туннельных переходов,
В данной работе исследователи решили делему при помощи туннельного полевого транзистора, имеющего вид «сэндвича» из 2-ух слоёв графена с «внутренностью» из нитрида бора и дисульфида молибдена. Он был изобретён в 2012 году командой под управлением нобелевских лауреатов Андрея Гейма (один из создателей этого исследования) и Константина Новосёлова. Графен владеет целым рядом параметров, принципиальных для сотворения схожих устройств.
Опыт подтвердил разработанную теорию детектирования и показал, что по чувствительности сделанный сенсор на несколько порядков превосходит «традиционное» устройство. Малый сигнал, различаемый им на фоне шума, уже соперничает с аналогичным показателем у коммерчески доступных сверхпроводниковых и полупроводниковых болометров (датчиков излучения). Но создатели убеждены, что чувствительность сенсора быть может увеличена на пару порядков.
Исследование выполнено при поддержке Русского научного фонда и Русского фонда базовых исследовательских работ.
По пресс-релизу МФТИ.
Источник: