Lokale Steuerung der Elektron-Phonon-Streuung in Graphen zur Entwicklung ultrasensitiver Graphen-Terahertz-Detektoren

• Antragsteller: Florian Ludwig
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 560725895

Dieses Vorhaben untersucht das Potenzial des Defekt-Engineerings in Graphen zur Leistungssteigerung von Terahertz- (THz) Detektoren, mit einem Schwerpunkt auf photothermoelektrischen (PTE) und resistiv-selbstmischenden (RSM) Effekten. Ziel der Studie ist es, die Elektron-Phonon-Streuung durch gezielte Defekterzeugung lokal zu modifizieren, um eine verbesserte Elektronenkühlung durch Supercollision Cooling zu erreichen. Dieser Ansatz, der auf unordnungsunterstützter Streuung basiert, soll erhebliche Verbesserungen der Detektorantwort und der Empfindlichkeit im THz-Bereich bei Raumtemperatur über ein breites Frequenzspektrum hinweg ermöglichen. Die Forschung verfolgt zwei Hauptziele: (1) die Steigerung der PTE-Antwort von Graphen-basierten THz-Detektoren, um Empfindlichkeitswerte zu erreichen, die über den aktuellen Stand der Technik von Terahertz-Feldeffekttransistoren (TeraFETs) hinausgehen, und (2) die Erhöhung der Detektionsbandbreite kürzlich entwickelter Graphen-Photomischer durch die Minimierung der Elektronenkühlzeiten mittels Supercollision Cooling. Diese Ziele sollen durch die Herstellung zweier Detektorarchitekturen erreicht werden: ein Kontrollgerät auf der Basis von reinem, hochqualitativem Graphen und ein partiell defektmodifizierter Transistor, der für eine erhöhte Elektronenkühlung in bestimmten Kanalbereichen ausgelegt ist. Durch den Vergleich dieser Bauelemente sollen die jeweiligen Beiträge der PTE- und RSM-Effekte bei kontrollierten Defektdichten analysiert werden. Das Projekt wird fortschrittliche Charakterisierungsmethoden wie Raman-Spektroskopie, Elektronenmikroskopie und zeitaufgelöste Photostrommessungen einsetzen, um die defektinduzierten Kühlungsdynamiken und die PTE-Effizienz in Graphen zu bewerten. Diese datenbasierte Analyse liefert quantitative Erkenntnisse über den Einfluss von Supercollision-Prozessen auf die Träger-Temperatur und die Energiedissipation und unterstützt die Optimierung von Defektkonfigurationen für zukünftige THz-Anwendungen. Durchgeführt am Katalanischen Institut für Nanowissenschaft und Nanotechnologie (ICN2), profitiert dieses Forschungsvorhaben von modernster Ausstattung und der Zusammenarbeit mit international anerkannten Experten. Die Ergebnisse dieser Studie sollen zur Weiterentwicklung der THz-Detektionstechnologie beitragen und die Entwicklung hochempfindlicher, breitbandiger Graphen-basierter THz-Detektoren fördern, die für Anwendungen in der Spektroskopie, Kommunikation und Sensorik geeignet sind. Zudem wird diese Forschung zum grundlegenden Verständnis der Supercollision-Kühlmechanismen in 2D-Materialien beitragen, mit Implikationen für die Entwicklung der nächsten Generation optoelektronischer Bauelemente.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Spanien
• Gastgeber: Professor Dr. Klaas-Jan Tielrooij