Från radio till tv till internet, telekommunikationsöverföringar är helt enkelt information som överförs på ljusvågor och omvandlas till elektriska signaler.

Kiselbaserad fiberoptik är för närvarande de bästa strukturerna för höghastighets-, långdistansöverföringar, men grafen - ett helt kol, ultratunt och anpassningsbart material – kan förbättra prestandan ännu mer.

I en studie publicerad 16 april i ACS Fotonik , University of Wisconsin-Madison forskare tillverkade grafen till de minsta bandstrukturerna hittills med en metod som gör uppskalning enkel. I tester med dessa små band, forskarna upptäckte att de närmade sig de egenskaper de behövde för att flytta grafen till användbarhet i telekommunikationsutrustning.

"Tidigare forskning antydde att för att vara lönsam för telekommunikationsteknik, grafen skulle behöva struktureras oöverkomligt litet över stora ytor, (vilket är) en påhittad mardröm, säger Joel Siegel, en UW-Madison doktorand i fysik professor Victor Brars grupp och medförfattare till studien. "I vår studie, vi skapade en skalbar tillverkningsteknik för att göra de minsta grafenbandstrukturerna hittills och fann att med blygsamma ytterligare minskningar av bandbredden, vi kan börja nå telekommunikationsområdet."

Grafen hyllas som ett undermaterial för teknologier som telekommunikation eller solceller eftersom det är lätt att arbeta med, är relativt billigt, och har unika fysiska egenskaper som att vara både en isolator och ledare av elektricitet.

Om den modifieras för att interagera med ljus med högre energi, grafen skulle kunna användas för att modulera telekommunikationssignaler med blixtsnabba hastigheter. Till exempel, den kan användas för att blockera oönskade kommunikationsfrekvenser.

Ett sätt att förbättra grafens prestanda är att skära det i mikroskopiska, bandstrukturer i nanometerskala, som fungerar som små antenner som interagerar med ljus. Ju mindre antenn, de högre ljusenergierna interagerar den med. Den kan också "inställas" för att interagera med flera ljusenergier när ett elektriskt fält appliceras, förlänger sin prestanda ytterligare.

Forskarna, inklusive team ledda av UW-Madison materialvetenskap och ingenjörsprofessorer Michael Arnold och Padma Gopalan, ville först göra en anordning av grafenband som var smalare än något som gjorts ännu. Genom att konstruera bandformade polymerer ovanpå grafen och sedan etsa bort en del av det omgivande materialet, de lämnades med exakt ritade, omöjligt tunna band av grafen.

"Det är väldigt användbart eftersom det inte finns bra tillverkningstekniker för att komma ner till den funktionsstorlek vi gjorde, 12 nanometer bred över ett stort område, " Siegel säger. "Och det är ingen skillnad mellan mönstring över centimeterskalan vi arbetar med här och gigantiska sex-tums wafers användbara för industriella applikationer. Det är väldigt lätt att skala upp."

Med enheterna tillverkade, forskarna kunde sedan testa hur banden interagerade med ljus och hur väl de kunde kontrollera den interaktionen.

Tillsammans med UW-Madisons el- och datateknikprofessor Mikhail Kats grupp, de lyste in olika våglängder av infrarött ljus i strukturerna och identifierade den våglängd där banden och ljuset samverkade starkast, känd som resonansvåglängden.

De fann att när bandbredden minskar, det gör också ljusets resonansvåglängd. Lägre våglängder betyder högre energier, och deras enheter interagerade med de högsta energier som hittills uppmätts för strukturerad grafen.

Forskarna kunde också ställa in banden genom att öka den elektriska fältstyrkan som applicerades på strukturerna, ytterligare minska strukturernas resonansvåglängd. Forskarna fastställde att en struktur har den förväntade flexibiliteten som behövs för de tekniska tillämpningar som de strävade efter att uppnå.

De jämförde sedan sina experimentella data med det förutsagda beteendet hos strukturerad grafen över tre olika bandbredder och tre elektriska fältstyrkor. De bredare banden som forskarna skapade stämde nära de förutspådda beteendena.

Men för smalare band, de såg en så kallad blueshift, eller en övergång till högre energier än förväntat. Blåskiftningen kan förklaras av det faktum att elektroner i de mindre banden skulle vara mer benägna att interagera med - och stöta bort - varandra.

"Den blåförskjutning vi observerade indikerar att telekommunikationsvåglängder kan nås med mycket större strukturer än tidigare förväntat - runt åtta till 10 nanometer - vilket bara är marginellt mindre än de 12 nanometer strukturer vi gjorde, säger Siegel.

Med målet åtta till 10 nanometer mycket närmare än väntat, forskarna försöker nu justera sina tillverkningsmetoder för att göra banden ännu smalare. Dessa nya grafen nanostrukturer kommer också att möjliggöra utforskningar av den grundläggande fysiken för ljus-materia-interaktioner, forskning som Siegel och kollegor för närvarande driver.