Genom att använda terahertzvågor i elektronik, framtida datatrafik kan få ett stort uppsving framåt. Än så länge, terahertz (THz) frekvensen har inte använts optimalt för dataöverföring, men genom att använda grafen, forskare vid Chalmers tekniska högskola har kommit ett steg närmare ett eventuellt paradigmskifte för elektronikindustrin.

Över 60 unga forskare från hela världen kommer att lära sig mer om detta och andra ämnen när de samlas utanför Göteborg, Sverige, att delta i veckans sommarskola Graphene Study, arrangerat av Graphene Flagship.

Det är EU:s största forskningsinitiativ någonsin, flaggskeppet grafen, koordineras av Chalmers, som organiserar skolan denna vecka, 25-30 juni 2017. I år hålls den i Sverige med fokus på elektroniska tillämpningar av det tvådimensionella materialet med den extraordinära elektriska, optisk, mekaniska och termiska egenskaper som gör det till ett mer effektivt val än kisel i elektroniska applikationer. Andrei Vorobiev är forskare vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers samt en av de många ledande experterna som håller föreläsningar vid Graphene Study och han förklarar varför grafen är lämpligt för att utveckla enheter som arbetar i THz-området:

"En av grafenens speciella egenskaper är att elektronerna rör sig mycket snabbare än i de flesta halvledare som används idag. Tack vare detta kan vi komma åt de höga frekvenser (100-1000 gånger högre än gigahertz) som utgör terahertzområdet. Datakommunikation har då potential att bli upp till tio gånger snabbare och kan överföra mycket större mängder data än vad som är möjligt för närvarande", säger Andrei Vorobiev, senior forskare vid Chalmers tekniska högskola.

Forskare vid Chalmers är de första som har visat att grafenbaserade transistorenheter kan ta emot och omvandla terahertzvågor, en våglängd som ligger mellan mikrovågor och infrarött ljus, och resultaten publicerades i tidskriften IEEE-transaktioner om mikrovågsteori och -tekniker . Ett exempel på dessa enheter är en 200 GHz subharmonisk resistiv mixer baserad på en CVD grafentransistor integrerad på kisel som skulle kunna användas i trådlösa höghastighetskommunikationslänkar.

Ett annat exempel, dra nytta av grafens unika kombination av flexibilitet och hög bärhastighet, är en effektdetektor baserad på en grafentransistor integrerad på flexibla polymersubstrat. Intressanta applikationer för en sådan kraftdetektor inkluderar bärbara THz-sensorer för sjukvård och flexibla THz-detektormatriser för högupplöst interferometrisk avbildning som ska användas i biomedicinsk och säkerhetsavbildning, fjärrstyrning av processer, materialkontroll och profilering och förpackningskontroll.

"Analys visar att flexibla bilddetektormatriser är ett område där THz-applikationer av grafen har en mycket hög effektpotential. Ett exempel på var detta skulle kunna användas är i säkerhetsskanningen på flygplatser. Eftersom den grafenbaserade terahertz-skannern är böjbar" kommer att få en mycket bättre upplösning och kan hämta mer information än om skannerns yta är plan, säger Vorobiev.

Men trots framstegen, mycket arbete återstår innan de slutliga elektroniska produkterna når marknaden. Andrei Vorobiev och hans kollegor arbetar nu med att ersätta kiselbasen som grafenen är monterad på, vilket begränsar grafenens prestanda, med andra tvådimensionella material som, tvärtom, kan förstärka effekten ytterligare. Och Vorobiev hoppas att han ska kunna inspirera eleverna som deltar i Graphene Study att nå nya vetenskapliga genombrott.

"Under de senaste femtio åren, all elektronisk utveckling har följt Moores lag, som säger att varje år kommer fler och fler funktioner att appliceras på allt mindre ytor. Nu verkar det som att vi har nått den fysiska gränsen för hur små de elektroniska kretsarna kan bli och vi behöver hitta en annan princip för utveckling. Nya material kan vara en lösning och forskning om grafen visar positiva resultat. Att arbeta med grafenrelaterad forskning handlar om att bryta ny mark som innebär många svåra utmaningar, men så småningom kan vårt arbete revolutionera framtidens kommunikation och det är det som gör det så spännande, " säger Andrei Vorobiev, senior forskare vid Chalmers tekniska högskola.