Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Graphen: vom Wundermaterial zur Anwendung im Mobilfunk

23.03.2015

Seine theoretischen Eigenschaften machten Graphen über Nacht zum »Wundermaterial«: 200 mal härter als Stahl, 6 mal so leicht, reißfest aber biegsam, umweltverträglich und das dünnste Material der Welt. Nur eine Atomlage, etwa ein Hunderttausendstel eines menschlichen Kopfhaars dick, bleibt es dennoch bemerkenswert leitfähig. Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF sollen die Eigenschaften nun in der Praxis zum Einsatz kommen: als nahezu masselose Elektrode für piezoelektrische Resonatoren, wie sie in Bandpassfiltern von Smartphones eingesetzt werden.

GSM, UMTS, LTE, WiFi, Bluetooth – um nur eine kleine Auswahl der Funkstandards, die heute selbstverständlicher Bestandteil der mobilen Kommunikation sind, zu nennen. Für alle diese Funkstandards wäre die Signalverarbeitung ohne eine Frequenzfilterung nicht zu schaffen.


Der neue CVD-Reaktor »Black Magic« erlaubt am Fraunhofer IAF die Abscheidung von Graphen.

Fraunhofer IAF


Blick in die Prozesskammer des Reaktors, in der Graphen auf eine bis zu 1000 °C heiße Katalysatoroberfläche abgeschieden wird.

Fraunhofer IAF

Mikroakustische piezoelektrische Resonatoren sind hierfür die am Markt vorherrschende Technologie. Die Theorie sagt für diese Resonatoren beste Schwingungs-eigenschaften voraus, wenn die zur Anregung der Schwingung verwendete Elektrode sehr leicht wird. Der am leichtesten denkbaren Elektrode kommt elektrisch leitfähiges Graphen am nächsten.

»Die heute üblicherweise eingesetzten Metallelektroden dämpfen durch ihre Masse – ähnlich wie Filz auf einer Klaviersaite – die Schwingungen der Resonatoren und mindern die Signaltrennungsschärfe in Bandpassfiltern. Während man die Metallelektroden aber nicht beliebig dünnen kann, um ihre Masse und damit die Dämpfung zu reduzieren, bleibt Graphen selbst als atomar dünne Elektrode immer noch elektrisch leitfähig.«, erklärt Dr. René Hoffmann, der am Fraunhofer IAF die Graphenforschung leitet.

Mit solch dünnen Graphenelektroden rücken die mechanischen Gütefaktoren der Resonatoren nahe an das theoretische Ideal. Schafft man es die Schwingungseigenschaften der piezoelektrischen Resonatoren zu verbessern und höhere Kopplungsfaktoren zu erzielen, steigen die Signaltrennungsschärfe und die Energieeffizienz der Filter. Die Herausforderung dabei ist es, die nahezu masselosen Graphenelektroden mit den gängigen Mobilfunk-Bauteilen aus piezoelektrischem Aluminiumnitrid zu verbinden.

Industrie-kompatible Technologien zur Graphen-Abscheidung

Als einer der Partner im »Graphene Flagship«, der größten Förderinitiative in der Geschichte der Europäischen Union, arbeitet das Fraunhofer IAF in Zusammenarbeit mit der EPCOS AG, einem Unternehmen der TDK Group, an einer effizienten Technologie zur Graphen-Abscheidung und dem Graphen-Transfer auf Aluminiumnitrid.

So erstaunlich es ist, Graphen als atomar dünnes Material überhaupt herstellen und verarbeiten zu können, so schwer ist es, dies in einem industriellen Maßstab zu tun. Viele der möglichen Anwendungen von Graphen scheitern noch, da die Herstellung des Materials noch zu aufwendig ist. Die Entwicklung von wirtschaftlichen Herstellungs- und Verarbeitungstechnologien ist daher ein Muss, um die herausragenden theoretischen Eigenschaften von Graphen in der Praxis zu nutzen.

Ein vielversprechender Ansatz zur Graphen-Abscheidung auf großen Substraten, wie sie in der Halbleiterindustrie typisch sind, ist die chemische Gasphasenabscheidung. Hierbei wird eine Katalysatoroberfläche, zum Beispiel Kupfer, auf nahezu 1000 °C erhitzt, bis sich kohlenstoffhaltiges Gas auf der heißen Oberfläche zersetzt und zu Graphen reorganisiert. Zukünftig soll dieses Prinzip gemeinsam mit EPCOS zur Industrie-kompatiblen Technologie für die direkte Integration von Graphen auf Aluminiumnitrid-basierte Bandpassfilter weiterentwickelt werden.

Über das »Graphene Flagship«

Neben dem Fraunhofer IAF sind noch zwei weitere Fraunhofer-Institute mit an Bord des »Graphene Flagships«, das insgesamt 142 Organisationen aus 23 Ländern umfasst: das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI sowie das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT. Die Forscher am Fraunhofer ICT arbeiten an einer weiteren Art der großtechnischen und kostengünstigen Herstellung von Graphen – nämlich in Form von Graphen-Flakes.

Die Graphen-Experten des Fraunhofer ISI hingegen erstellen für alle Partner des Konsortiums und die Graphen-Community strategische Technologie- und Anwendungs-Roadmaps, mit denen sich wichtige Treiber für die weitere Graphen-Entwicklung sowie künftige Anwendungsfelder besser einschätzen lassen. Dr. Thomas Reiß, Leiter des Competence Centers Neue Technologien am Fraunhofer ISI, wurde außerdem zum Mitglied des Executive Boards des »Graphene Flagships« gewählt.

Mit einer Summe von insgesamt einer Milliarde Euro fördert die Europäische Union Universitäten, Forschungseinrichtungen und Unternehmen, die Graphen für den europäischen Markt erschließen sollen. (http://graphene-flagship.eu/)

Weitere Informationen:

http://www.iaf.fraunhofer.de/de/presse-veranstaltungen/pressemitteilungen/presse...

Sonja Kriependorf | Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie
23.05.2018 | Universität Wien

nachricht Rotierende Rugbybälle unter den massereichsten Galaxien
23.05.2018 | Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Im Focus: Faserlaser mit einstellbarer Wellenlänge

Faserlaser sind ein effizientes und robustes Werkzeug zum Schweißen und Schneiden von Metallen beispielsweise in der Automobilindustrie. Systeme bei denen die Wellenlänge des Laserlichts flexibel einstellbar ist, sind für spektroskopische Anwendungen und die Medizintechnik interessant. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) haben, im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „FlexTune“, ein neues Abstimmkonzept realisiert, das erstmals verschiedene Emissionswellenlängen voneinander unabhängig und zeitlich synchron erzeugt.

Faserlaser bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lasern eine höhere Strahlqualität und Energieeffizienz. Integriert in einen vollständig faserbasierten...

Im Focus: LZH zeigt Lasermaterialbearbeitung von morgen auf der LASYS 2018

Auf der LASYS 2018 zeigt das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) vom 5. bis zum 7. Juni Prozesse für die Lasermaterialbearbeitung von morgen in Halle 4 an Stand 4E75. Mit gesprengten Bombenhüllen präsentiert das LZH in Stuttgart zudem erste Ergebnisse aus einem Forschungsprojekt zur zivilen Sicherheit.

Auf der diesjährigen LASYS stellt das LZH lichtbasierte Prozesse wie Schneiden, Schweißen, Abtragen und Strukturieren sowie die additive Fertigung für Metalle,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Was einen guten Katalysator ausmacht

24.05.2018 | Biowissenschaften Chemie

Superkondensatoren aus Holzbestandteilen

24.05.2018 | Biowissenschaften Chemie

Neue Schaltschrank-Plattform für die Energiewelt

24.05.2018 | Messenachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics