Graphen: Alles unter Kontrolle: Forschungsteam demonstriert Kontrollmechanismus für Quantenmaterial

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Professor Dr. Dmitry Turchinovich von der Universität Bielefeld ist einer der beiden Studienleiter. Er untersucht, wie Graphen in zukünftigen Anwendungen der Elektrotechnik eingesetzt werden kann. Foto: Universität Bielefeld/ M.-D. Müller CREDIT Foto: Universität Bielefeld/M.-D. Müller

Abstract:
Wie können große Datenmengen möglichst schnell übertragen bzw. verarbeitet werden? Ein Schlüssel dazu könnte Graphen sein. Das ultradünne Material ist nur eine Atomlage dick und die darin enthaltenen Elektronen verfügen aufgrund von Quanteneffekten über ganz besondere Eigenschaften. Es könnte sich daher sehr gut für den Einsatz in elektronischen Hochleistungsbauteilen eignen. Bisher mangelte es jedoch an Kenntnissen darüber, wie sich bestimmte Eigenschaften von Graphen geeignet steuern lassen. Eine neue Studie eines Wissenschaftlerteams aus Bielefeld und Berlin gemeinsam mit Forschern anderer Forschungsinstitute in Deutschland und Spanien ändert dies. Die Ergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Graphen: Alles unter Kontrolle: Das Forschungsteam demonstriert den Kontrollmechanismus für Quantenmaterial

Bielefeld, Deutschland | Gepostet am 9. April 2021

Graphen besteht aus Kohlenstoffatomen und ist ein nur ein Atom dickes Material, dessen Atome in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind. Diese Anordnung der Atome führt zu der einzigartigen Eigenschaft von Graphen: Die Elektronen in diesem Material bewegen sich, als ob sie keine Masse hätten. Dieses „masselose“ Verhalten der Elektronen führt zu einer sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit in Graphen und, was wichtig ist, diese Eigenschaft bleibt bei Raumtemperatur und unter Umgebungsbedingungen erhalten. Graphen ist daher möglicherweise für moderne Elektronikanwendungen sehr interessant.

Kürzlich wurde entdeckt, dass die hohe elektronische Leitfähigkeit und das „masselose“ Verhalten seiner Elektronen es Graphen ermöglichen, die Frequenzkomponenten der durch ihn fließenden elektrischen Ströme zu verändern. Diese Eigenschaft hängt stark davon ab, wie stark diese Strömung ist. In der modernen Elektronik gehört eine solche Nichtlinearität zu den grundlegendsten Funktionalitäten zum Schalten und Verarbeiten elektrischer Signale. Das Besondere an Graphen ist seine Nichtlinearität, die bei weitem die stärkste aller elektronischen Materialien ist. Darüber hinaus funktioniert es sehr gut für außergewöhnlich hohe elektronische Frequenzen und reicht bis in den technologisch wichtigen Terahertz-Bereich (THz), wo die meisten herkömmlichen elektronischen Materialien versagen.

In ihrer neuen Studie zeigte das Forscherteam aus Deutschland und Spanien, dass die Nichtlinearität von Graphen sehr effizient kontrolliert werden kann, indem vergleichsweise geringe elektrische Spannungen an das Material angelegt werden. Zu diesem Zweck stellten die Forscher ein Gerät her, das einem Transistor ähnelt, bei dem über eine Reihe elektrischer Kontakte eine Steuerspannung an Graphen angelegt werden konnte. Anschließend wurden mit dem Gerät ultrahochfrequente THz-Signale übertragen: Die Übertragung und anschließende Transformation dieser Signale wurde dann in Abhängigkeit von der angelegten Spannung analysiert. Die Forscher fanden heraus, dass Graphen bei einer bestimmten Spannung nahezu vollkommen transparent wird – seine normalerweise starke nichtlineare Reaktion verschwindet nahezu. Durch leichtes Erhöhen oder Absenken der Spannung von diesem kritischen Wert aus kann Graphen in ein stark nichtlineares Material umgewandelt werden, das die Stärke und die Frequenzkomponenten der gesendeten und remittierten elektronischen THz-Signale erheblich verändert.

„Dies ist ein bedeutender Schritt vorwärts in Richtung der Implementierung von Graphen in Anwendungen der elektrischen Signalverarbeitung und Signalmodulation“, sagt Prof. Dmitry Turchinovich, Physiker an der Universität Bielefeld und einer der Leiter dieser Studie. „Zuvor hatten wir bereits gezeigt, dass Graphen das bei weitem nichtlinearste Funktionsmaterial ist, das wir kennen. Wir verstehen auch die Physik hinter der Nichtlinearität, die heute als thermodynamisches Bild des ultraschnellen Elektronentransports in Graphen bekannt ist. Aber bis jetzt wussten wir nicht wie.“ um diese Nichtlinearität zu kontrollieren, die das fehlende Glied im Hinblick auf die Verwendung von Graphen in Alltagstechnologien war.“

„Durch Anlegen der Steuerspannung an Graphen konnten wir die Anzahl der Elektronen im Material verändern, die sich frei bewegen können, wenn das elektrische Signal daran angelegt wird“, erklärt Dr. Hassan A. Hafez, Mitglied von Professor Dr. Turchinovich Labor in Bielefeld und einer der Hauptautoren der Studie. „Einerseits gilt: Je mehr Elektronen sich als Reaktion auf das angelegte elektrische Feld bewegen können, desto stärker sind die Ströme, was die Nichtlinearität verstärken sollte. Andererseits gilt: Je mehr freie Elektronen verfügbar sind, desto stärker ist die Wechselwirkung zwischen ihnen. und dadurch wird die Nichtlinearität unterdrückt. Hier haben wir sowohl experimentell als auch theoretisch gezeigt, dass durch Anlegen einer relativ schwachen externen Spannung von nur wenigen Volt die optimalen Bedingungen für die stärkste THz-Nichtlinearität in Graphen geschaffen werden können.“

„Mit dieser Arbeit haben wir einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zur Verwendung von Graphen als äußerst effizientes nichtlineares funktionelles Quantenmaterial in Geräten wie THz-Frequenzwandlern, Mischern und Modulatoren erreicht“, sagt Professor Dr. Michael Gensch vom Institut für Optische Sensorsysteme des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Technischen Universität Berlin, der ebenfalls Leiter dieser Studie ist. „Dies ist äußerst relevant, da Graphen perfekt mit der bestehenden elektronischen Ultrahochfrequenz-Halbleitertechnologie wie CMOS oder Bi-CMOS kompatibel ist. Daher ist es jetzt möglich, sich Hybridgeräte vorzustellen, bei denen das anfängliche elektrische Signal unter Verwendung der bestehenden Halbleitertechnologie bei niedrigerer Frequenz erzeugt wird.“ kann dann aber sehr effizient in Graphen auf viel höhere THz-Frequenzen hochkonvertiert werden, und das alles auf vollständig kontrollierbare und vorhersehbare Weise.“

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Forscher der Universität Bielefeld, des Instituts für Optische Sensorsysteme des DLR, der Technischen Universität Berlin, des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Deutschland sowie des Catalan Institute of Nanoscience und An dieser Studie waren Nanotechnologie (ICN2) und das Institut für Photonische Wissenschaften (ICFO) in Spanien beteiligt.

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Kontakte:
Professor Dr. Dmitry Turchinovich, Universität Bielefeld
49-521-106-5468

@uniaktuell

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