Graphen: Alles unter Kontrolle!

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.

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

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Kovalev et al.: Electrical tunability of terahertz nonlinearity in graphene, Sci. Adv. 7, eabf9809 (2021); DOI: 10.1126/sciadv.abf9809
• Terahertz Physics Group (D. Turchinovich), Fklt. Für Physik, Universität Bielefeld
• AG Gensch, Institut für Optik und atomare Physik Technische Universität Berlin
• Institut für optische Sensorsysteme, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Berlin