For­schungs­team de­mons­triert Steu­er­me­cha­nis­mus für Graphen

Das Zu­kunfts­ma­te­ri­al für elektronische Bauelemente ist besonders für Anwendungen im Terahertz-Bereich geeignet

Intensive Terahertz-Pulse (rot) werden in der Graphenschicht zu höheren Frequenzen umgewandelt. Die Effizienz lässt sich durch eine Spannung V von wenigen Volt steuern. Gra­phen ist bei der Fre­quenz­ver­viel­fa­chung in den Tera­hertz­be­reich um Grö­ßen­ord­nun­gen ef­fi­zi­en­ter als al­le an­de­ren be­kann­ten Ma­te­ria­li­en. Bild: © HZDR Dresden / Juniks

Der digitale Wandel in der Gesellschaft und Wirtschaft bildet eine große Herausforderung für die Forschung: Immer größere Datenmengen müssen schnellstmöglich übertragen und verarbeitet werden. Ein internationales Team, unter der gemeinsamen Leitung durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Universität Bielefeld, untersuchte hierfür Graphen, das zukünftig als Material in neuartigen elektronischen Bauelementen zum Einsatz kommen könnte.

Das aus Kohlenstoff bestehende Graphen ist ein ultradünnes Material – gerade mal eine Atomlage dick. Die darin enthaltenen Elektronen haben aufgrund von Quanteneffekten 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.

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, zeigt eine neue Studie, die in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde. Für diese Studie kooperierten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des DLR-Instituts für Optische Sensorsysteme, der Technischen Universität Berlin und der Universität Bielefeld mit Forschenden am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, am Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) und am Institute of Photonic Sciences (ICFO) in Spanien sowie des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung.

Graphen ist besonders für Anwendungen im Terahertz-Bereich geeignet

Graphen hat ein hohes technologisches Potential für Anwendungen im Terahertzbereich. "Wir haben einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zur Nutzung von Graphen als funktionalem Quantenmaterial in elektronischen Bauelementen erreicht", sagt Prof. Michael Gensch, einer der beiden 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.

Für die Untersuchungen des Materials legte das Team der Forschenden an das Graphen eine elektrische Gleichspannung von nur wenigen Volt an und untersuchte, 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 Prof. Dr. Dmitry Turchinovich von der Fakultät für Physik der Universität Bielefeld, der zusammen mit Prof. Gensch die Studie leitet. "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.

Die Spannung kontrolliert, wie viele Elektronen sich frei bewegen

Wie aber funktioniert die Steuerung 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."
 

Publikation

Electrical tunability of terahertz nonlinearity in graphene
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
Science Advances, doi.org/10.1126/sciadv.abf9809, published on 7 April 2021
 

Kontakt

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Tel.: +49 30 67055-639

Prof. Dr. Michael Gensch
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Tera­hertz-und La­ser­spek­tro­sko­pie
www.dlr.de/os/

Pressemitteilung DLR vom 8.04.2021