Fraunhofer-Institut und TDK wollen Graphén in Mobiltelefone bringen

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Der CVD-Reaktor "Black Magic" erlaubt am Fraunhofer IAF die Abscheidung von Graphen. Künftig soll eine kostengünstige und einfachere Technologie die Abscheidung und den Transfer von Graphen auf Aluminiumnitrid-basierte Bandpassfilter ermöglichen (Bild: Fraunhofer IAF).

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF will die erstaunlichen Eigenschaften von Graphén für nahezu masselose Elektroden für piezoelektrische Resonatoren nutzen. Die kommen in Bandpassfiltern von Smartphones zum Einsatz. Die Forscher versprechen sich davon eine höhere Signaltrennungsschärfe und größere Energieeffizienz.

Das Fraunhofer IAF arbeitet zusammen mit der Epcos AG, einem Unternehmen der TDK Group, an einer Technologie zur Graphen-Abscheidung und dem Graphen-Transfer auf Aluminiumnitrid. Ziel des Projekts ist es, nahezu masselose Graphenelektroden, mit den gängigen Mobilfunk-Bauteilen aus piezoelektrischem Aluminiumnitrid zu verbinden. Die neuen Komponeten sollen die Energieeffizienz der in Mobiltelefonen für die Frequenzfilterung erforderlichen Filter verbessern und zugleich die Signaltrennungsschärfe erhöhen. Das Projekt ist Teil des von der EU mit insgesamt einer Milliarde Euro geförderten Programms, mit dem das als “Wundermaterial” gepriesene Graphén für den europäischen Markt erschlossen werden soll.

Der CVD-Reaktor "Black Magic" erlaubt am Fraunhofer IAF die Abscheidung von Graphén. Künftig soll eine kostengünstige und einfachere Technologie die Abscheidung und den Transfer von Graphen auf Aluminiumnitrid-basierte Bandpassfilter ermöglichen (Bild: Fraunhofer IAF).
Der CVD-Reaktor “Black Magic” erlaubt am Fraunhofer IAF die Abscheidung von Graphén. Künftig soll eine kostengünstige und einfachere Technologie die Abscheidung und den Transfer von Graphen auf Aluminiumnitrid-basierte Bandpassfilter ermöglichen
(Bild: Fraunhofer IAF).

Graphén ist 200-mal härter als Stahl, wiegt aber nur ein Sechstel, ist reißfest und dabei doch biegsam, zugleich umweltverträglich und – in diesem Zusammenhang besonders wichtig -, das dünnste Material der Welt. Lediglich eine Atomlage dick, was laut Fraunhofer IAF etwa einem Hunderttausendstel eines menschlichen Kopfhaars entspricht, bleibt es dennoch bemerkenswert leitfähig. Diese Eigenschaften sollen künftig auch in Mobiltelefonen genutzt werden.

“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 Graphén selbst als atomar dünne Elektrode immer noch elektrisch leitfähig”, erklärt René Hoffmann, der am Fraunhofer IAF die Graphén-Forschung leitet, in einer Pressemitteilung. Mit Graphenelektroden rücken ihm zufolge die mechanischen Gütefaktoren der Resonatoren nahe an das theoretische Ideal.

Derzeit sind mikroakustische piezoelektrische Resonatoren die am Markt vorherrschende Technologie für die Frequenzfilterung. Die wiederum ist erforderlich, um mehrere Funkstandards – etwa GSM, UMTS, LTE, WLAN und Bluetooth – parallel für die mobile Kommunikation nutzen zu können. Theoretisch besitzen diese Resonatoren bessere Schwingungseigenschaften, umso leichter die zur Anregung der Schwingung verwendete Elektrode ist.

Laut den Fraunhofer-Forschern kommt der am leichtesten denkbaren Elektrode elektrisch leitfähiges Graphén am nächsten: “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.”

Derzeit scheitern viele der möglichen Anwendungen von Graphén, weil zur Herstellung des Materials zu viel Aufwand betrieben werden muss. Um die herausragenden theoretischen Eigenschaften von Graphen in der Praxis zu nutzen, ist es daher erforderlich, wirtschaftliche Herstellungs- und Verarbeitungstechnologien zu entwickeln. Genau das wollen Fraunhofer IAF und Epcos nun tun.

Zur Graphén -Abscheidung auf großen Substraten, wie sie in der Halbleiterindustrie typisch sind, setzen sie dabei auf die chemische Gasphasenabscheidung. Dafür wird eine Katalysatoroberfläche, zum Beispiel Kupfer, auf nahezu 1000 °C erhitzt, bis sich kohlenstoffhaltiges Gas auf der heißen Oberfläche zersetzt und zu Graphen reorganisiert. Dieses Prinzip soll zur für die Massenfertigung taglichen Technologie für die direkte Integration von Graphen auf Aluminiumnitrid-basierte Bandpassfilter weiterentwickelt werden.

Die Entdeckung von Graphén im Jahre 2004 wurde bereits 2010 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Graphén ist eine nur ein Atom dicke Schicht aus kristallisiertem Kohlenstoff. Viele Wissenschaftler hoffen, dass es sie in die Lage versetzen wird, eines Tages die Beschränkungen von Silizium hinter sich zu lassen und einen echten Quantencomputer zu bauen.

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