Ett schematiskt atomdiagram av en kvantbrunn gjord av amorfa kollager. De blå atomerna representerar amorft kol med en hög andel diamantliknande kol. De rödbruna atomerna representerar amorft kol som är grafitliknande. De diamantliknande områdena har en hög potential (diamanten är isolerande) medan de grafitliknande områdena är mer metalliska. Detta skapar en kvantbrunn eftersom elektroner är begränsade inom det grafitliknande området på grund av den relativt höga potentialen i de diamantliknande regionerna. Supergitter är uppbyggda av en serie kvantbrunnar. Kredit:Wits University
Forskare vid Nanoscale Transport Physics Laboratory från School of Physics vid University of the Witwatersrand har hittat en teknik för att förbättra kolsupergitter för tillämpningar av kvantelektronik. Supergitter är uppbyggda av omväxlande lager av mycket tunna halvledare, bara några nanometer tjock. Dessa lager är så tunna att dessa enheters fysik styrs av kvantmekanik, där elektroner beter sig som vågor. I ett paradigmskifte från konventionella elektroniska enheter, Att utnyttja supergitters kvantegenskaper har ett löfte om att utveckla ny teknik.
Gruppen, under ledning av professor Somnath Bhattacharyya har under de senaste 10 åren arbetat med att utveckla kolbaserade nanoelektroniska enheter.
"Kol är framtiden inom elektronikområdet och det kommer snart att utmana många andra halvledare, inklusive kisel, säger Bhattacharyya.
Fysiken för kolsupergitter är mer komplex än den för kristallina supergitter (som galliumarsenid), eftersom materialet är amorft och kolatomer tenderar att bilda kedjor och nätverk. Wits-gruppen, i samarbete med forskare vid University of Surrey i Storbritannien, har utvecklat en detaljerad teoretisk metod för att förstå experimentella data som erhålls från kolenheter. Tidningen har publicerats i Vetenskapliga rapporter den 19 oktober.
"Detta arbete ger en förståelse för de grundläggande kvantegenskaperna hos kolsupergitter, som vi nu kan använda för att designa kvantenheter för specifika applikationer, säger huvudförfattaren, Wits doktorand, Ross McIntosh. "Vårt arbete ger en stark drivkraft för framtida studier av högfrekventa elektroniska och optoelektroniska egenskaper hos kolsupergitter".
Genom sitt arbete, gruppen rapporterade en av de första teoretiska modellerna som kan förklara de grundläggande elektroniska transportegenskaperna i oordnade kolsupergitter.
Bhattacharyya började titta på användningen av kol för halvledarapplikationer för nästan 10 år sedan, innan han började på Wits University, när han och medförfattare från University of Surrey utvecklade och visade negativ differentialresistans och utmärkta högfrekvensegenskaper hos en kvantanordning som består av amorfa kollager. Detta arbete publicerades i Naturmaterial under 2006.
Ett schematiskt atomdiagram av en kvantbrunn gjord av amorfa kollager. De blå atomerna representerar amorft kol med en hög andel diamantliknande kol. De rödbruna atomerna representerar amorft kol som är grafitliknande. De diamantliknande områdena har en hög potential (diamanten är isolerande) medan de grafitliknande områdena är mer metalliska. Detta skapar en kvantbrunn eftersom elektroner är begränsade inom det grafitliknande området på grund av den relativt höga potentialen i de diamantliknande regionerna. De rödbruna kedjorna genom de diamantliknande områdena representerar polymerkedjor, en egenskap som är unik för kolsupergitter. Supergitter är uppbyggda av en serie kvantbrunnar. De gröna atomerna representerar kväveföroreningar. Kredit:Wits University
McIntosh tog tillfället i akt på hedersnivå att mäta de elektriska egenskaperna hos enheter med kolsupergitter. Nu, som doktorand och efter att ha arbetat mycket med teoretikern Dr. Mikhail V. Katkov, han har utökat det teoretiska ramverket och utvecklat en teknik för att beräkna transportegenskaperna för dessa enheter.
Bhattacharyya tror att detta arbete kommer att ha enorm betydelse för att utveckla kolbaserade högfrekvensenheter.
"Det öppnar inte bara grundläggande studier i kolmaterial, men det kommer också att ha industriella tillämpningar inom sektorn för elektroniska och optoelektroniska enheter, " han säger.
Supergitter används för närvarande som toppmoderna högfrekventa oscillatorer och förstärkare och börjar finna användning inom optoelektronik som detektorer och sändare i terahertz-regimen. Medan de högfrekventa elektriska och optoelektroniska egenskaperna hos konventionella halvledare begränsas av dopämnena som används för att modifiera deras elektroniska egenskaper, egenskaperna hos supergitter kan ställas in över ett mycket bredare område för att skapa enheter som fungerar i regimer där konventionella enheter inte kan.
Superlattice elektroniska enheter kan arbeta vid högre frekvenser och optoelektroniska enheter kan arbeta vid lägre frekvenser än sina konventionella motsvarigheter. Bristen på terahertz-sändare och detektorer har resulterat i ett gap i den delen av det elektromagnetiska spektrumet (känd som "terahertz-gapet"), vilket är en betydande begränsning, eftersom många biologiska molekyler är aktiva i denna regim. Detta begränsar också terahertz-radioastronomi.
Amorfa kolenheter är extremt starka, kan arbeta vid höga spänningar och kan utvecklas i de flesta laboratorier i världen, utan sofistikerade nanotillverkningsanläggningar. Nya kolbaserade enheter kan hitta tillämpning inom biologi, rymdteknik, vetenskaplig infrastruktur som Square Kilometer Array (SKA)-teleskopet i Sydafrika, och nya mikrovågsdetektorer.
"Det som saknades tidigare var en förståelse för enhetsmodellering. Om vi har en modell, vi kan förbättra enhetens kvalitet, och det är vad vi har nu, säger Bhattacharyya.
