05.05.2021

Frequenzumwandlung mit Graphen

Elektronische Eigenschaften für Terahertz-Anwendungen lassen sich kontrolliert steuern.

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 steuern lassen. Das ändert eine neue Studie eines Teams von Forschern des DLR-Instituts für optische Sensorsysteme, der TU Berlin und der Universität Bielefeld zusammen mit Wissenschaftlern am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, am Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2), am Institute of Photonic Sciences (ICFO) in Spanien und am Max-Planck Institut für Polymerforschung.

 

Abb.: Graphen ist bei der Frequenz­vervielfachung im Terahertz­bereich...
Abb.: Graphen ist bei der Frequenz­vervielfachung im Terahertz­bereich effizienter als alle anderen bekannten Materialien. (Bild: TU Berlin)

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.

Die Wissenschaftler 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 haben einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zur Nutzung von Graphen als funktionalem Quanten­material in elektronischen Bauelementen erreicht“, erklärt Michael Gensch, Abteilungsleiter am DLR-Institut für optische Sensorsysteme und zugleich Leiter der AG Terahertz- und Laserspektroskopie an der TU Berlin. „Es ist nun prinzipiell möglich, Hybrid-Bauelemente zu designen. In diesen könnte das ursprüngliche elektrische Signal mit einer niedrigeren Frequenz, wie es konventionelle Halbleiterbauelemente erzeugen, mit Graphen dann effizient, kontrollierbar und vorhersagbar in den Terahertz-Bereich konvertiert werden.“

„Wir hatten schon früher festgestellt, dass wir mit Graphen Stromfrequenzen besonders effizient verändern können“, fügt Dmitry Turchinovich von der Fakultät für Physik der Universität Bielefeld hinzu, der die Studie zusammen mit Gensch geleitet hat. „Für technologische Anwendungen von Graphen fehlte uns aber bislang das Wissen, wie wir diese Frequenz­umwandlungen steuern können“, so Turchinovich. Graphen lässt sich für die Frequenz­vervielfachung nutzen, so dass Frequenzen im Terahertz-Bereich erzeugt werden können. Dieser Frequenzbereich ist technologisch sehr wichtig, nur sind die meisten konventionellen elektronischen Materialien dafür nicht geeignet.

Wie funktioniert die Steuerung eigentlich genau? Mit Steuerspannungen von wenigen Volt können die Wissenschaftler die Zahl der verfügbaren freien Elektronen in Graphen genau einstellen, wodurch der optimale Arbeitspunkt eingestellt werden kann. Je mehr Elektronen sich frei im Material bewegen können, desto effizienter funktioniert die Frequenz­vervielfachung. Neben den möglichen Anwendungen in zukünftigen Bauelementen der Telekommunikation und der Datenverarbeitung ergeben sich dadurch auch Anwendungen in leistungs­fähigen Terahertz-Sensoren für die Weltraum­forschung oder zur Untersuchung der Erdatmosphäre.

TU Berlin / DE

 

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