Auf dem Weg zur Überschreitung der Terahertz-Grenze
Einfache Thermodynamik bestimmt das Verhalten von ultraschnellen Graphen-Transistoren und Photodetektoren.
Die thermischen Eigenschaften von Leitungselektronen in Graphen ähneln denen von Gasen. Das hat ein Forscherteam am MPI für Polymerforschung herausgefunden. Der einfache thermodynamische Ansatz ist auf der Zeitskala von Pikosekunden gültig. Die neue Erkenntnis über die elektrische Leitfähigkeit in Graphen eröffnet einen Weg zu verbesserten Leistungen von ultraschnellen Transistoren.
Abb.: Terahertzfeld und Graphen beeinflussen sich gegenseitig, was zu einer effizienten Erwärmung der Elektronen führt. Die Leitfähigkeit des Graphens wird dabei stark verändert. (Z. Mics, MPI-P)
Die Energie von ultraschnellen elektrischen Strömen wandelt sich in Graphen sehr effizient in Elektronenwärme um, entdeckten die Wissenschaftler. 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 Mischa Bonn, Direktor am MPI-P.
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 Projektleiter Dmitry Turchinovich. 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.
MPI-P / RK
