Grafen möjliggör höghastighetselektronik på böjbara material

En böjbar detektor för terahertzfrekvenser har utvecklats av forskare på Chalmers med hjälp av grafentransistorer på plast. Det är den första i sitt slag, och kan utöka användningsområdet av terahertzteknik till tillämpningar som kräver böjbar elektronik, exempelvis trådlösa sensornätverk och kroppsnära teknik. Resultaten är publicerade i den vetenskapliga tidskriften Applied Physics Letters.

Terahertzstrålning har en lång rad användningsområden och kan förekomma i allt från radioastronomi och säkerhet till medicin. Begreppet syftar på de elektromagnetiska vågor vars frekvenser sträcker sig från 100 gigahertz till 10 terahertz. Efterfrågan på högre bandbredd inom trådlös kommunikation och avbildning för säkerhetstillämpningar har lett till intensifierad forskning på system och komponenter avsedda för terahertzfrekvenser.

En utmaning har länge varit att skapa lätta och billiga applikationer. Framstegen inom polymertekniken har dock främjat utvecklingen av flexibel elektronik och möjliggjort tillverkning av högfrekventa enheter på böjbara underlag.

Nu har chalmersforskarna Xinxin Yang, Andrei Vorobiev, Andrey Generalov, Michael A. Andersson och Jan Stake tagit fram den första mekaniskt flexibla och grafenbaserade terahertzdetektorn i sitt slag. De öppnar därmed för flexibel terahertzelektronik.

Med hjälp av det tvådimensionella materialet grafen har den första flexibla terahertzdetektorn utvecklats av forskare på Chalmers. Illustration: Boid Studio, Göteborg

Detektorn har unika egenskaper. I rumstemperatur upptäcker den signaler i frekvensområdet från 330 till 500 gigahertz. Den är genomskinlig och böjbar, och öppnar för en rad tillämpningsområden. Tekniken kan bland annat användas för avbildning i terahertzområdet (THz-kamera), men även för att identifiera olika ämnen (sensor). Den kan också vara till potentiell nytta inom sjukvården, där terahertzvågor kan användas för att upptäcka cancer. Andra områden där detektorn skulle kunna användas är sensorer för fordon och trådlös kommunikation.

De unika elektroniska egenskaperna hos grafen kombinerat med dess flexibla natur gör det till ett lovande material att integrera i plast och tyg, något som kommer att vara viktiga byggstenar i en framtida sammankopplad värld. Grafenelektronik möjliggör nya applikationer för bland annat vardagsföremål, det som brukar kallas sakernas internet (Internet of Things).

Chalmersforskarna bakom den flexibla terahertzdetektorn, fr v Jan Stake, Xinxin Yang, Andrei Vorobiev, Andrey Generalov och Michael A. Andersson. Foto: Anna-Lena Lundqvist

Detektorn visar på de konkreta möjligheterna med grafen, som leder ström otroligt bra. Det är en  egenskap som gör grafen till en attraktiv byggsten i snabb elektronik. Chalmersforskarnas arbete är därför ett viktigt framsteg när det gäller grafen inom terahertz-området, och ett genombrott mot högpresterande och billig flexibel terahertzteknik.

Detektorn väckte uppmärksamhet på EU-toppmötet Tallinn Digital Summit nyligen, där flera viktiga tekniska innovationer som möjliggjorts av grafen och besläktade material visades upp. På toppmötet samlades EU:s stats- och regeringschefer för att diskutera digital innovation och Europas digitala framtid. Flaggskeppets fokus var att visa vilken roll grafen kan spela.

Forskningen utgör även en del av Xinxin Yangs licentiatavhandling, som presenteras på Chalmers den 22 november 2017.

Forskningen om terahertzdetektorn har finansierats av EU:s forskningsflaggskepp om grafen, Graphene Flagship, Stiftelsen för strategisk forskning (SSF), och Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse (KAW).

Text: Michael Nystås
Illustration: Boid Studio, Göteborg
Fotografier på Jan Stake, Xinxin Yang, Andrei Vorobiev, Andrey Generalov och Michael A. Andersson: Anna-Lena Lundqvist

Läs artikeln "A flexible graphene terahertz detector" i tidskriften Applied Physics Letters >>>
dx.doi.org/10.1063/1.4993434

Publicerad: ti 31 okt 2017. Ändrad: fr 17 nov 2017