Auf dem Weg zu Graphen-basierter Kommunikation - experimentelle Demonstration und fundamentale Analyse des Potentials und der Limitierungen Graphen-basierter THz Antennen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Haring Bolívar; Professor Dr.-Ing. Max Christian Lemme
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279150938

Nanotechnologie bietet eine Fülle neuen Möglichkeiten zur Entwicklung und Herstellung miniaturisierter Bauelemente und Systeme für ubiquitäre Anwendungen in der Sensorik und Informationstechnologie. Solche Geräte erfordern drahtlose Kommunikation für den Informationsaustausch und die Koordinierung der Aufgaben mit deren Umgebung. Eine zukünftige Reduzierung der Größe (und damit Kosten) solcher Komponenten ist stark durch die Abmessungen der damit verbundenen metallischen Antennen beschränkt. Graphen bietet eine radikal neue Alternative um Hochfrequenzantennen um mehrere Größenordnungen in Ihren Dimensionen zu reduzieren, anhand seiner speziellen elektronischen Dispersionsrelation und seiner Fähigkeit, Oberflächenplasmonen (SPP) bis in der n THz und Mikrowellenbereich skalieren zu können. Tatsächlich reicht theoretisch ein Graphen-basierte plasmonische Antenne mit lateralen Abmessungen von wenigen Mikrometern aus, um Kommunikation im Terahertz-Frequenzband zu ermöglichen (0.3 - 10THz ) bei einer Frequenz die bis zu zwei Größenordnungen niedriger ist als klassische metallische Antennendesign. Folglich haben Graphen-basierte Mikro-Antennen eine enormes Integrationspotenzial für zukünftige miniaturisierte drahtlose Systeme und stellt eine Schlüsseltechnologie für die in Zukunft dominierende IKT-Anwendungen dar, beispielsweise für das Internet der Dinge. Trotz dieser ausserordentlich positiven Perspektiven, bleibt der experimentelle Nachweis dieses Potentials aus, was nicht nur aufgrund technologischer Limitierungen folgt, sondern auf fundamentalen Beschränkungen in real verfügbaren Graphen.In diesem Projekt werden wir drei Aspekte bearbeiten: i) eine experimentelle Prototyp Demonstration von THz Graphen Antennen realisieren und untersuchen, um den praktischen Betrieb einer Graphenna nachzuweisen. Hierbei werden photoleitfähige Emitter basierend auf THz Graphen-basierte Antennen mit Betriebsfrequenzen zwischen 0,2 und 3 THz demonstriert werden. Ein Ziel ist dabei eine Verringerung der Antennenlänge um mindestens einen Faktor 10 nachzuweisen. Diese Analyse umfasst die Skalierbarkeit des Konzeptes zu niedrigeren Mikrowellen Frequenzen. ii) Eine detaillierte quantitative Bewertung der Potenziale und der Begrenzungen von Graphen basierten Antennen unter realistischen technologisch erreichbaren Materialparameter entwickelt werden. iii) Ein grundlegendes Verständnis der mikroskopischen Ursachen dieser Beschränkungen, um die zukünftige Graphen Materialoptimierung im Zusammenhang mit dieser (und anderen THz) Anwendungen anleiten zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Italien, Spanien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Albert Cabellos; Professor Marco Polini