Grafeenia pidetään lupaavana ehdokkaana tulevaisuuden nanoelektroniikalle. Teoriassa sen pitäisi mahdollistaa kellotaajuudet, jotka ovat jopa tuhat kertaa nopeampia kuin nykyisellä piielektroniikalla. Nyt tutkijat ovat osoittaneet, että grafeeni voi muuntaa elektroniset signaalit gigahertsien alueelta erittäin tehokkaasti terahertsien taajuuksille.
Tutkijat Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorfin (HZDR) ja Duisburg-Essenin yliopistosta ovat yhdessä Max Planck –instituutin tutkijoiden kanssa osoittaneet ensimmäistä kertaa, että grafeeni voi todella muuntaa elektroniset signaalit gigahertsien alueelta erittäin tehokkaasti terahertsien taajuuksille.
Teoria on pitkään ennustanut, että grafeeni voi olla erittäin tehokas "epälineaarinen" elektroninen materiaali. Tällainen materiaali pystyy tehokkaasti muuntamaan sovitetun oskilloivan sähkömagneettisen kentän kenttiin, joilla on paljon suurempi taajuus. Kokeelliset yritykset todistaa tämä vaikutus grafeeniin viimeisten kymmenen vuoden aikana eivät kuitenkaan ole onnistuneet.
Tutkijat onnistuivat nyt moninkertaistamaan taajuuden yksikerroksisessa grafeenissa käyttäen HZDR:n uutta terahertsien TELBE-säteilylähdettä.
Kauan odotettu kokeellinen todiste terahertsien harmonisesta generoinnista onnistui grafeenissa, joka sisältää monia vapaita elektroneja. Kun vapaita elektroneja viritetään värähtelevällä sähkökentällä ne jakavat energiansa hyvin nopeasti grafeenin muiden elektronien kanssa. Reagoidessaan nämä aiheuttavat erityisen nopeita ja voimakkaita muutoksia grafeenin johtokykyyn.
Tutkijoiden mukaan kolmannen, viidennen ja seitsemännen harmonisen taajuuden generoinnin tehokkuutta kuvaavat epälineaariset kertoimet olivat grafeenilla poikkeuksellisen korkeita. Grafeeni on siis mahdollisesti elektroninen materiaali, jolla on tähän mennessä tunnetuin vahva epälineaarisuus.
Pallohiilen eli fullereenin löytäminen hämmästytti ja ilahdutti kemistejä 1980-luvulla, nanoputket fyysikoita 1990-luvulla ja grafeeni materiaalitutkijoita 2000-luvulla. Mutta yksi nanomittakaavan hiilirakenne eli negatiivisesti kaareva pinta nimeltä schwarzite on väistellyt tutkijoita.
Nyt Berkelyn yliopiston kemistit ovat osoittaneet, että Etelä-Koreassa ja Japanissa viime aikoina syntyneet hiilirakenteet ovat itse asiassa pitkään etsittyjä schwarziitteja. Tutkijat ennustavat niillä olevan ainutlaatuisia sähköisiä ja varastoivia ominaisuuksia, kuten jo löydetyissä nanotason hiilirakenteissa.
Uudet rakenteet rakennettiin zeoliittihuokosten sisälle, jossa ne muodostavat topologisesti minimaalisia pintoja. Teoreettisen työn pohjalta kemistit ovat ennustelleet, että schwarziiteilla on ainutlaatuiset elektroniset, magneettiset ja optiset ominaisuudet, jotka tekevät ne käyttökelpoisiksi superkondensaattoreissa, akkuelektrodeissa ja katalysaattoreissa. Lisäksi niiden suuret sisäiset tilat soveltuvat kaasun varastointiin ja erotteluun.
Veijo Hänninen
14.9.2018
