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24.03.2015 | Mikroelektronik | Im Fokus | Onlineartikel

Atomlagendünne Graphenschicht für ideale Resonatoren

Autor:
Andreas Burkert

Die zweidimensionale Kohlenstoffmodifikation Graphen tut der Signalverarbeitung gut. Denn dank einer hauchdünnen Graphenelektrode lässt sich die Signaltrennungsschärfe in Bandpassfiltern optimieren.

Das Bemerkenswerte an Graphen ist, dass es selbst dann erstaunlich leitfähig bleibt, wenn es aus nur einer Atomlage besteht. Die zweidimensionale Kohlenstoffmodifikation ist damit für viele Anwendungen in der Elektronik prädestiniert. Auch deshalb erproben Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF neue Einsatzbereiche. Unter anderem wollen sie Graphen als nahezu masselose Elektrode für piezoelektrische Resonatoren nutzen, wie sie in Bandpassfiltern von Smartphones eingesetzt werden.

Bandpassfilter, wie sie Martin Werner in „Entwurf digitaler IIR-Filter“ im Detail erklärt, gelten in der Mobilfunktechnik als unentbehrlich. Immerhin ist eine Signalverarbeitung für die gängigen Funkstandards wie GSM, UMTS, LTE, WiFi, Bluetooth ohne eine Frequenzfilterung nicht zu schaffen. Derzeit sind mikroakustische piezoelektrische Resonatoren die am Markt vorherrschende Technologie. Und weil in der Theorie für diese Resonatoren die besten Schwingungseigenschaften dann erreicht werden, wenn die zur Anregung der Schwingung verwendete Elektrode sehr leicht ist, rückt elektrisch leitfähiges Graphen als leichteste denkbare Elektrode in den Mittelpunkt.

Graphenelektroden für bessere Signaltrennungsschärfe

Gelingt das, wäre es ein großer Erfolg. Denn 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“, erklärt Dr. René Hoffmann, der am Fraunhofer IAF die Graphenforschung leitet. Er sieht das Material als Lösung: Während man nämlich die Metallelektroden nicht beliebig dünnen kann, um ihre Masse und damit die Dämpfung zu reduzieren, bleibt Graphen selbst als atomar dünne Elektrode immer noch elektrisch leitfähig.

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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.

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