Rozwój nanoelektroniki: modele i mechanizmy
Głównym trendem w nowoczesnej elektronice i optoelektronice jest dążenie do poszerzenia zakresu częstotliwości do wartości teraherców i podczerwieni poprzez wykorzystanie nanotechnologii. Układy nanoelektroniczne, których podstawowe elementy mają wymiary atomów, zwiększają integrację elementów oraz zmniejszają zużycie energii. Wśród nanomateriałów cieszących się największym zainteresowaniem znajdują się nanostruktury węglowe, w tym jedno- i wielościenne nanorurki węglowe (CNT), wstążki grafenowe i węgiel cebulowy grafen. W ramach finansowanego ze środków UE projektu CACOMEL (Nano-carbon based components and materials for high frequency electronics) badano liniowe i nieliniowe zjawiska elektromagnetyczne w nanostrukturalnym węglu stosowanym w nanoobwodach. Projekt obejmował badania teoretyczne i doświadczalne mechanizmów fizycznych stojących za tymi zjawiskami. Partnerzy opracowali koncepcję zgodności elektromagnetycznej układów z nano elementami na podstawie klasycznej elektrodynamiki i kwantowej teorii transportu w nanostrukturach. Ponownie rozważono klasyczne koncepcję zgodności elektromagnetycznej przy uwzględnieniu korelacji kwantowych i tunelowania, a także interakcji spinowo-spinowych i dipolowo-dipolowych. Koncept przedstawiono na przykładzie połączeń opartych na technologii CNT. Zespół projektu CACOMEL otrzymał pierwsze dowody eksperymentalne potwierdzające występowanie miejscowego rezonansu plazmonowego w materiałach kompozytowych zawierających jednościenne nanorurki węglowe (SWCNT), które były zależne od długości nanorurek. Naukowcy opracowali również numeryczną metodę obliczania struktury elektronicznej nieczystości punktowych w SWCNT. Porównanie właściwości dielektrycznych i elektromagnetycznych w zakresie częstotliwości mikrofalowych kompozytów z domieszką azotu oraz czystych kompozytów na bazie CNT wykazały, że dodawanie domieszek ma duże znaczenie. Obserwacje doświadczalne wykazały wzmocnienie elektromagnetyczne w materiałach kompozytowych CNT z domieszką, zgodnie z teoretycznym modelem metalizacji z półprzewodnikowych materiałów kompozytowych CNT. Transport elektroniczny nanopołączeń węgla modelowano przy pomocy macierzy nanowstążek grafenowych i wiązek CNT. Modele te były również stosowane do badania skomplikowanych problemów związanych z nanopakowaniem. Naukowcy uzyskali w drodze syntezy wysoko przewodzące nanometrycznie półprzezroczyste pirolityczne powłoki węglowe na podłożach dielektrycznych. Powłoki te wykazują bardzo wysoką absorpcję do 50% energii padającej, co sprawia, że mogą być z powodzeniem wykorzystywane w osłonach elektromagnetycznych. Badanie nieliniowości trzeciego rzędu w SWCNT ujawniło lokalizację nośnika, a także tunelowanie przez bariery izolacyjne pomiędzy regionami przewodzącymi. W ujęciu ogólnym wyniki projektu CACOMEL przyczyniły się do rozwoju nanoelektromagnetyki, nowej dyscypliny badawczej mającej ważne znaczenie w dziedzinie telekomunikacji, biomedycyny i cyberbezpieczeństwa.
Słowa kluczowe
Nanoelektronika, nanostrukturalny węgiel, teraherc, nanorurki węglowe, grafen
