"Wie mit Graphen Frequenzen im Terahertz-Bereich erzeugt werden können, haben wir schon in vorherigen Studien herausgefunden. Jetzt ist unser Ziel, diese Technologie so weiterzuentwickeln, dass sie in Kombination mit modernen Halbleiter-Chips funktioniert", sagt Professor Dr. Dmitry Turchinovich von der Fakultät für Physik der Universität Bielefeld. Turchinovich leitet die Arbeitsgruppe Terahertz-Physik. Ein Terahertz sind eine Billion, also 1000 Milliarden, Schaltungen pro Sekunde – ein Frequenzbereich, der technologisch sehr wichtig ist. Mit konventionellen Materialien können Signale im Terahertz-Bereich nur sehr schwer und ineffizient produziert werden. "Die herkömmliche Elektronik gerät hier an ihre Grenzen", sagt Turchinovich.
Ein vielversprechendes Material ist daher Graphen, das nur aus einer Lage Kohlenstoffatome besteht und dessen Struktur an Maschendraht erinnert. Graphen hat eine Eigenschaft, die Physiker und Physikerinnen Nichtlinearität nennen: Das Material ist in der Lage, die Frequenzen elektronischer Signale zu vervielfachen – ohne großen Energieverlust. Dass dies bis in den Terahertz-Bereich möglich ist, konnte Turchinovich gemeinsam mit Professor Dr. Michael Gensch von der Technischen Universität Berlin erstmals zeigen. "Mit Graphen lassen sich hohe Frequenzen im sub-Terahertz Bereich in extrem hohe Terahertz-Frequenzen umwandeln. Das hochfrequente Ausgangssignal haben wir bislang in einer Teilchenbeschleuniger-basierten Strahlungsquelle erzeugt. Das verhindert die tatsächliche Anwendbarkeit der Technologie", sagt Turchinovich.
Im SPP-Teilprojekt Integratech wollen die Forschenden das Ausgangssignal nun lokal erzeugen. Integratech steht für "Integrated graphene-on-chip terahertz technology" (Integrierte Graphen-auf-Chip Terahertz-Technologie). In dem Projekt wirken neben Turchinovich und Gensch noch weitere Forschende von der Bergischen Universität Wuppertal sowie dem Katalanischen Institut für Nanowissenschaften und Nanotechnologie in Barcelona (Spanien) und der Arbeitsgruppe Terahertz-Physik mit.
In dem Projekt greifen die Forschenden auf eine neue Chiptechnologie auf Basis von Halbleitern wie Silizium und Germanium zurück, die sogenannte BiCMOS-Technologie. Diese winzig kleinen Schaltungen können elektrische Felder mit Frequenzen im Bereich mehrerer hundert Gigahertz generieren. "Unsere Idee ist, die Graphen- mit der Halbleitertechnologie zu kombinieren: Die Halbleiterschaltungen erzeugen das Ausgangssignal, dessen Frequenz dann wiederum in Graphen vervielfacht wird", so Turchinovich. "Indem wir die Frequenzvervielfachung skalierbar machen, kommen wir der tatsächlichen Anwendung ein großes Stück näher."
"Terahertzforschung wurde bislang weitestgehend isoliert in der Materialphysik, der Elektronik oder der Photonik betrieben. Im SPP bringen wir das Wissen aus diesen Disziplinen zusammen", sagt Turchinovich, der das SPP Interest mitinitiiert hat und im Lenkungsausschuss sitzt. Die Teilprojekte reichen von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung, etwa in der Astronomie, in der drahtlosen Hochgeschwindigkeitskommunikation oder zur präzisen Detektion von Tumorgewebe in der Biomedizin. Gemeinsam ist ihnen, dass sie Erkenntnisse aus verschiedenen Bereichen integrieren: "So versuchen wir, neue und bessere Technologien zu erzeugen", sagt Turchinovich.
COMPAMED.de; Quelle: Universität Bielefeld
