Forschungsteam demonstriert Steuermechanismus für Zukunftsmaterial

Das aus Kohlenstoff bestehende Graphen (die Betonung liegt auf der zweiten Silbe) 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