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Graphen: Alles unter Kontrolle! (Nr. 23/2021)

Veröffentlicht am 8. April 2021, 07:08 Uhr
Forschungsteam demonstriert Steuermechanismus für Zukunftsmaterial

Wie lassen sich große Datenmengen möglichst schnell übertragen oder verarbeiten? Ein Schlüssel dazu könnte Graphen sein. Das ultradünne Material ist nur eine Atomlage dick, und die darin enthaltenen Elektronen haben aufgrund von Quanteneffekten sehr besondere Eigenschaften. Es könnte sich deshalb sehr gut eignen, um es für besonders leistungsfähige elektronische Bauelemente zu verwenden. Allerdings fehlte bislang das Wissen, wie sich bestimmte Eigenschaften von Graphen geeignet steuern lassen. Das ändert eine neue Studie eines Teams von Wissenschaftler*innen aus Bielefeld und Berlin zusammen mit Forschenden aus weiteren Forschungsinstituten in Deutschland und Spanien. Einer der Studienleiter ist der Physiker Professor Dr. Dmitry Turchinovich von der Universität Bielefeld. Die Ergebnisse sind jetzt in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht worden. 
Prof. Dr. Dmitry Turchinovich von der Universität Bielefeld ist einer der beiden Leiter der Studie. Er erforscht, wie sich Graphen künftig in der Elektrotechnik nutzen lässt. Foto: Universität Bielefeld/M.-D. Müller
Prof. Dr. Dmitry Turchinovich von der Universität Bielefeld ist einer der beiden Leiter der Studie. Er erforscht, wie sich Graphen künftig in der Elektrotechnik nutzen lässt. Foto: Universität Bielefeld/M.-D. Müller

Für die Studie kooperierten die Wissenschaftler*innen der Universität Bielefeld, des DLR Institut für optische Sensorsysteme, der Technischen Universität Berlin mit Forscher*innengruppen am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, am Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) und am Institute of Photonic Sciences (ICFO) in Spanien und des Max-Planck Instituts für Polymerforschung.

Eine wichtige Funktionalität in der Elektronik ist es, die Frequenzen von Wechselströmen in geeigneten Bauelementen umwandeln zu können, während die Ströme durch sie hindurchfließen. Das ist notwendig, um Signale zu verarbeiten, und eine wichtige Grundlage dafür, dass etwa Mobiltelefone oder Radios funktionieren. Ob und wie sich solche Frequenzänderungen durch Graphen erreichen, kontrollieren und steuern lassen, hat das deutsch-spanische Studienteam nun untersucht. 

Graphen ist besonders für Anwendungen im Terahertz-Bereich geeignet
Die Wissenschaftler*innen legten an das Graphen eine elektrische Gleichspannung von nur wenigen Volt an und untersuchten, wie sich die Frequenzen von angelegten Wechselströmen in Abhängigkeit von dieser Steuerspannung verhielten. „Wir hatten schon früher festgestellt, dass wir mit Graphen Stromfrequenzen besonders effizient verändern können“, sagt Professor Dr. Dmitry Turchinovich von der Fakultät für Physik der Universität Bielefeld. Er ist einer der beiden Leiter der Studie. „Graphen hatte sich hierbei um ein Vielfaches besser herausgestellt als alle anderen bekannten Materialien.“ 

Zu diesen Vorteilen zählt insbesondere, dass sich Graphen auch für die sogenannte Frequenzvervielfachung nutzen lässt, und dass Frequenzen im Terahertz-Bereich erzeugt werden können. Dieser Frequenzbereich ist technologisch sehr wichtig – aber die meisten konventionellen elektronischen Materialien sind dafür nicht geeignet. „Für technologische Anwendungen von Graphen fehlte uns aber bislang das Wissen, wie wir diese Frequenzumwandlungen steuern können“, sagt Turchinovich. Diese Wissenslücke haben die Forschenden nun geschlossen.

Wenn man eine Steuerspannung an Graphen anlegt, lässt sich die Frequenzumwandlung des Stroms kontrollieren. Grafik: Juniks, Dresden, CC BY
Wenn man eine Steuerspannung an Graphen anlegt, lässt sich die Frequenzumwandlung des Stroms kontrollieren. Grafik: Juniks, Dresden, CC BY
Die Spannung kontrolliert, wie viele Elektronen sich frei bewegen
Wie aber funktioniert die Steuerung eigentlich genau?  „Mit Steuerspannungen von wenigen Volt können wir die Zahl der verfügbaren freien Elektronen in Graphen genau einstellen“, erklärt Dr. Hassan A. Hafez aus der Arbeitsgruppe von Turchinovich: „Das ist wichtig, da wir dadurch den optimalen Arbeitspunkt einstellen können. Je mehr Elektronen sich frei im Material bewegen können, desto effizienter funktioniert die Frequenzvervielfachung. Es gibt aber auch eine Sättigung, da die Elektronen mit wachsender Anzahl auch stärker miteinander wechselwirken, was die Effizienz wiederum verringert.“

Graphen gilt als entscheidend, um Anwendungen im Terahertzbereich zu ermöglichen. „Wir haben einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zur Nutzung von Graphen als funktionalem Quantenmaterial in elektronischen Bauelementen erreicht“, sagt Professor Michael Gensch, Co- Leiter der Studie vom DLR-Institut für optische Sensorsysteme in Berlin und der Technischen Universität Berlin. „Es ist dadurch prinzipiell möglich, Hybrid-Bauelemente zu designen. In diesen könnte das ursprüngliche elektrische Signal mit einer niedrigeren Frequenz, wie es konventionelle Halbleiterbaulemente erzeugen, mit Graphen dann effizient, kontrollierbar und vorhersagbar in den Terahertz-Bereich konvertiert werden.“ Neben den möglichen Anwendungen in der Telekommunikation und der Datenverarbeitung ergeben sich auch Anwendungen in leistungsfähigen Terahertz Sensoren für die Weltraumforschung oder zur Untersuchung der Erdatmosphäre.

Originalveröffentlichung: 
Sergey Kovalev, Hassan A. Hafez, Klaas-Jan Tielrooij, Jan-Christoph Deinert, Igor Ilyakov, Nilesh Awari, David Alcaraz, Karuppasamy Soundarapandian, David Saleta, Semyon Germanskiy, Min Chen, Mohammed Bawatna, Bertram Green, Frank H. L. Koppens, Martin Mittendorff, Mischa Bonn, Michael Gensch, and Dmitry Turchinovich: Electrical tunability of terahertz nonlinearity in graphene. Science Advances, https://doi.org/10.1126/sciadv.abf9809, erschienen am 07.04.2021. 

Weitere Informationen: 
Website der Arbeitsgruppe Terahertz-Physik 

Kontakt:
Prof. Dr. Dmitry Turchinovich, Universität Bielefeld
Fakultät für Physik
Telefon: 0521 106-5468

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