07.03.2022

Elektronik mit Graphen

DFG fördert neues Forschungsprojekt mit Bielefelder Beteiligung.

Mit Graphen lassen sich elektronische Signale mit extrem hohen Frequenzen energie­effizient verarbeiten. Das Material ist deswegen wichtig für besonders leistungs­fähige Bauelemente, die zum Beispiel in Computern oder im Mobilfunk zum Einsatz kommen können. Das Problem: Um mit Graphen solche hochfrequenten Signale zu erzeugen, mussten Physi­kerinnen und Physiker bisher auf die Unterstützung riesiger Lasersysteme oder sogar Teilchen­beschleuniger zurückgreifen. Wie sich die Techno­logie auf winzig kleinen elek­tronischen Chips realisieren lässt, erforschen Wissenschaftler der Universität Bielefeld, der Bergischen Universität Wuppertal und der Technischen Universität Berlin nun in einem neuen Forschungs­projekt. Das Projekt ist Teil des Schwerpunkt­programms (SPP) Interest, das die Deutsche Forschungs­gemeinschaft (DFG) von 2022 bis 2028 fördert.

Abb.: Dmitry Turchinovich erforscht in einem DFG-Projekt, wie sich Frequenzen...
Abb.: Dmitry Turchinovich erforscht in einem DFG-Projekt, wie sich Frequenzen im Terahertz-Bereich durch die Kombination von Graphen und Halbleiter-Chips erzeugen lassen. (Bild: M.-D. Müller, U. Bielefeld)

„Wie mit Graphen Frequenzen im Terahertz-Bereich erzeugt werden können, haben wir schon in vorherigen Studien herausgefunden. Jetzt ist unser Ziel, diese Technologie so weiter­zuentwickeln, dass sie in Kombination mit modernen Halbleiter-Chips funk­tioniert“, sagt Dmitry Turchinovich von der Fakultät für Physik der Universität Bielefeld. Turchinovich leitet die Arbeits­gruppe Terahertz-Physik. Mit konven­tionellen Materialien können Signale im Terahertz-Bereich nur sehr schwer und ineffizient produziert werden. „Die herkömmliche Elektronik gerät hier an ihre Grenzen“, sagt Turchinovich. Ein vielver­sprechendes Material ist daher Graphen. Das Material ist in der Lage, die Frequenzen elek­tronischer Signale zu vervielfachen – ohne großen Energie­verlust. Dass dies bis in den Terahertz-Bereich möglich ist, konnte Turchinovich gemeinsam mit Michael Gensch von der Technischen Universität Berlin erstmals zeigen. „Mit Graphen lassen sich hohe Frequenzen im sub-Terahertz Bereich in extrem hohe Terahertz-Frequenzen umwandeln. Das hoch­frequente Ausgangssignal haben wir bislang in einer Teilchen­beschleuniger-basierten Strahlungs­quelle erzeugt. Das verhindert die tatsächliche Anwend­barkeit der Technologie“, sagt Turchinovich.

Im SPP-Teilprojekt Inte­gratech wollen die Wissenschaftler das Ausgangssignal nun lokal erzeugen. Integratech steht für „Integrated graphene-on-chip terahertz technology“ (Integrierte Graphen-auf-Chip Terahertz-Technologie). In dem Projekt arbeiten Turchinovich und Gensch mit Ullrich Pfeiffer von der Bergischen Universität Wuppertal zusammen. Ebenfalls beteiligt sind Klaas-Jan Tielrooij vom Katalanischen Institut für Nano­wissenschaften und Nano­technologie in Barcelona sowie Hassan A. Hafez Eid von der Arbeitsgruppe Terahertz-Physik. Dmitry Turchinovich koordiniert das Inte­gratech-Projekt. In dem Projekt greifen die Forschenden auf eine neue Chiptechnologie auf Basis von Halbleitern wie Silizium und Germanium zurück, die  BiCMOS-Technologie. Diese winzig kleinen Schaltungen können elektrische Felder mit Frequenzen im Bereich mehrerer hundert Gigahertz generieren. „Unsere Idee ist, die Graphen- mit der Halbleiter­technologie zu kombinieren: Die Halbleiterschaltungen erzeugen das Ausgangs­signal, dessen Frequenz dann wiederum in Graphen vervielfacht wird“, so Turchinovich. „Indem wir die Frequenz­vervielfachung skalierbar machen, kommen wir der tatsächlichen Anwendung ein großes Stück näher.“

Integratech ist im Januar 2022 gestartet und läuft bis Ende 2024 mit der Option auf eine Verlängerung um weitere drei Jahre. Das Projekt ist Teil des Schwerpunkt­programms Interest, das von der Bergischen Universität Wuppertal koordiniert wird. Die Deutsche Forschungs­gemeinschaft fördert Interest in den ersten drei Jahren zunächst mit 7,2 Millionen Euro. Davon gehen rund 300.000 Euro an die Universität Bielefeld. DFG-Schwerpunkt­programme zeichnen sich durch die über­regionale Kooperation der teilnehmenden Wissenschaftler aus. „Terahertz­forschung wurde bislang weitestgehend isoliert in der Materialphysik, der Elektronik oder der Photonik betrieben. Im SPP bringen wir das Wissen aus diesen Disziplinen zusammen“, sagt Turchinovich. Die Teilprojekte reichen von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung, etwa in der Astronomie, in der drahtlosen Hochgeschwin­digkeits­kommunikation oder zur präzisen Detektion von Tumorgewebe in der Biomedizin. Gemeinsam ist ihnen, dass sie Erkenntnisse aus verschiedenen Bereichen integrieren: „So versuchen wir, neue und bessere Technologien zu erzeugen“, sagt Turchinovich.

U. Bielefeld / JOL

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