12.04.2021

Graphen: Alles unter Kontrolle!

Mit Steuerspannungen von wenigen Volt lässt sich die Zahl verfügbarer freier Elektronen in Graphen genau einstellen.

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 jetzt ein Forscher­team aus Deutsch­land und Spanien unter­sucht.

Abb.: Wenn man eine Steuer­span­nung an Graphen anlegt, lässt sich die...
Abb.: Wenn man eine Steuer­span­nung an Graphen anlegt, lässt sich die Frequenz­um­wand­lung des Stroms kon­trol­lieren. (Bild: Juniks, Dresden; CC BY)

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 hatten schon früher fest­ge­stellt, dass wir mit Graphen Strom­frequenzen besonders effizient verändern können“, sagt Dmitry Turchinovich von der Uni 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 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 Forscher jetzt geschlossen.

Wie aber funktioniert die Steuerung genau? „Mit Steuer­spannungen von wenigen Volt können wir die Zahl der verfüg­baren freien Elektronen in Graphen genau einstellen“, erklärt Hassan 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 Co-Leiter der Studie Michael Gensch vom DLR-Institut für optische Sensor­systeme in Berlin und der TU Berlin. „Es ist dadurch 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.“ 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.

U. Bielefeld / RK

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