Met grafeen kan elektronica nóg sneller werken

Elektronica op basis van grafeen kan een kloksnelheid bereiken die duizend keer sneller is dan die van de huidige siliciumelektronica. Kloksnelheid bepaalt hoe snel een computer berekeningen of bewerkingen kan doen.

Van gigahertz naar tetrahertz: grafeen zet een elektronisch signaal erg efficiënt om. Bron: Juniks/HZDR.
Van gigahertz naar terahertz: grafeen zet een elektronisch signaal erg efficiënt om. Bron: Juniks/HZDR.

Grafeen is al jaren een veelbelovend materiaal, niet in de laatste plaats op het gebied van de elektronica. Het geleidt elektriciteit uitstekend en kan makkelijk gekoppeld worden aan bestaande elektronica. Nu blijkt het wondermateriaal ook nog een superhoge kloksnelheid te hebben. Dat was theoretisch al voorspeld. Maar nu, na ruim tien jaar experimenteel onderzoek, is het Duitse onderzoekers gelukt dit effect in het laboratorium aan te tonen.

De kloksnelheid is het aantal bewerkingen dat een chip per seconde uit kan voeren. De elektronica in moderne computers heeft een kloksnelheid van een enkele gigahertz. Ze kunnen dus miljarden bewerkingen per seconde doen.

De Duitse onderzoekers hebben nu aangetoond dat grafeen een kloksnelheid kan bereiken van terahertz: biljoenen bewerkingen per seconde.

Vrij elektronengas

Om het grafeen een superkloksnelheid te geven moesten de onderzoekers een trucje uithalen. Ze gaven het materiaal extra vrije elektronen. Dat deden ze door grafeen, dat uit een enkel laagje koolstofatomen bestaat, op een plakje siliciumdioxide te leggen. Het grafeen verzamelde de extra elektronen door de reactie van grafeen met het siliciumdioxide en met de omringende lucht.

Die vrije elektronen gedragen zich als een soort vloeistof die rondklotst in het grafeen. De elektrische pulsen die het materiaal in gestuurd worden, geven de elektronen extra energie. De elektronenvloeistof begint daardoor te borrelen en te koken. Zo ontstaat er een soort elektronendamp. De faseovergang van ‘vloeistof’ naar ‘damp’ gaat supersnel. Daardoor wordt de frequentie van de elektrische pulsen verhoogd.

De onderzoekers testten dit door elektromagnetische pulsen met een frequentie tussen de 300 en 680 gigahertz het grafeen in te sturen. De frequentie bleek door de elektronen-faseovergang drie tot zeven keer hoger te worden. Dat betekent dat ze frequenties van terahertz halen: duizend keer sneller dan de huidige elektronica.

Nanoelektronica

‘In mijn laboratorium onderzochten we [de kloksnelheid] van grafeen al jaren’, zegt hoogleraar Dmitry Turchinovich van de Universität Duisburg-Essen. ‘Maar onze lichtbronnen waren niet sterk genoeg om de frequentietoename duidelijk te kunnen detecteren en kwantificeren.’ Dankzij de experimentele mogelijkheden van de TELBE faciliteit hebben ze nu eindelijk bewijs kunnen leveren dat grafeen de frequentie van een elektrisch signaal kan verhogen.

De onderzoekers hopen dat het aantonen van de superhoge kloksnelheid van grafeen de deur opent naar nano-elektronica. Die nog kleiner en sneller is dan de siliciumchips waar de computers nu mee werken.

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees ook:

Over de auteur

Dorine Schenk

Dorine Schenk is freelance wetenschapsjournalist voor o.a. NRC en New Scientist. Ze studeerde (astro-)deeltjesfysica aan de Universiteit van Amsterdam. Daarnaast houdt ze van hardlopen. Volg haar op Twitter via @dorineschenk.



2 Reacties

  • Wim

    | Beantwoorden

    TetraHertz bestaat niet, dat moet TeraHertz (10^12 Hz) zijn.

    • Yannick Fritschy

      | Beantwoorden

      Aangepast, bedankt!

Plaats een reactie