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Das Elektronik-Material von morgen: Graphen: Erstmals Terahertz-Pulse im Labor realisiert

Hocheffizient und mit tausendmal schnelleren Taktraten als heutige, Silizium-basierte Elektronik, das versprach die Theorie lange vergeblich für den Kohlenstoff-Halbleiter Graphen. Deutsche Forscher konnten die prognostizierten Rekord-Frequenzen jetzt erstmals praktisch im Experiment nachvollziehen.

Graphen Bildquelle: © Juniks/HZDR

Graphen wandelt Signale mit Frequenzen im Gigahertz-Bereich extrem effizient in Signale mit einer vielfach höheren Frequenz im Terahertz-Berich um.

Graphen gilt wegen seiner guten Leitfähigkeitals vielversprechender Nachfolger von Silizium, wenn es darum geht, die Taktraten von Prozessoren von Milliarden Mal auf Billionen Mal pro Sekunde zu steigern. Es wurde auch prognostiziert, dass Graphen sehr effizient ein Wechselfeld in Felder viel höherer Frequenz umwandeln könnte, ein effizientes sogenanntes »nichtlineares Material« sei. Alle experimentellen Bemühungen, dies in der Realität nachzuvollziehen, scheiterten jedoch bisher.

»Wir konnten nun erstmals den direkten Nachweis für die Frequenzvervielfachung vom Giga- in den Terahertz-Bereich in einer Graphen-Monolage erbringen und elektronische Signale im Terahertz-Bereich erzeugen, und zwar mit bemerkenswerter Effizienz«, erklärt Dr. Michael Gensch, dessen Arbeitsgruppe zur Ultrakurzzeit-Physik forscht und die neue Terahertz-Strahlungsquelle TELBE am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) betreibt.

»Wir konnten einen lange vorhergesagten Effekt in Graphen nicht nur erstmals experimentell demonstrieren, sondern gleichzeitig quantitativ gut verstehen«, so Prof. Dmitry Turchinovich, Experimentalphysiker an der Universität Duisburg-Essen (UDE). »Wir haben vor einigen Jahren begonnen, die grundlegenden physikalischen Mechanismen der elektronischen Nichtlinearität von Graphen mit Arbeiten in meinem Labor zu untersuchen. Für den tatsächlichen Nachweis und die Quantifizierung der Frequenzvervielfachung reichten unsere Laborlichtquellen aber nicht aus. Dafür brauchten wir experimentelle Möglichkeiten, wie sie derzeit nur an der TELBE-Anlage zur Verfügung stehen«.

Als grundlegender Baustein für eine effiziente Multiplikation der Frequenz erwies sich der Vorgang, dass die in einer ein-Atom-lagigen Kohlenstoff-Schicht auf einem Substrat zahlreich vorhandenen freien Elektronen, durch ein Wechselfeld angeregt, wie eine erhitzte Flüssigkeit reagieren. Aus der »Elektronen-Flüssigkeit durch ein Wechselfeld angeregten Elektronen wie eine erhitzte Flüssigkeit reagieren. Aus der »Elektronen-Flüssigkeit« wird sozusagen »Elektronen-Dampf« im Graphen. Dies geschieht innerhalb von Billionstel Sekunden und verursacht die Änderung der Leitfähigkeit.

Die Wissenschaftler verwendeten elektromagnetische Pulse aus der TELBE-Terahertz-Strahlungsquelle mit Frequenzen zwischen 300 und 680 Gigahertz und wandelten sie im Graphen in Pulse mit der drei-, fünf- und siebenfachen Frequenz um, also in den Terahertz-Frequenzbereich. »Die nichtlinearen Koeffizienten, die die Effizienz der Erzeugung dieser dritten, fünften und siebten harmonischen Frequenz beschreiben, waren dabei außergewöhnlich hoch«, erklärt Turchinovich. »Graphen ist damit womöglich das elektronische Material mit der höchsten Nichtlinearität, das bisher bekannt ist. Die gute Übereinstimmung der gemessenen Werte mit unserem thermodynamischen Modell lässt hoffen, dass wir damit auch die Eigenschaften von nanoelektronischen Bauelementen aus Graphen gut vorhersagen können.«

Prof. Mischa Bonn, Direktor am MPI-P, der auch an dieser Arbeit beteiligt war, betont: »Unsere Entdeckung ist bahnbrechend. Wir haben demonstriert, dass Elektronik auf Kohlenstoff-Basis mit ultraschnellen Raten enorm effizient operieren kann. Auch sind ultraschnelle Hybrid-Bauelemente aus Graphen und traditionellen Halbleitern denkbar.«