Ein neues Paradigma für THz-Energiesammler auf der Grundlage von Graphen
Zukunftsweisende Konzepte wie Wearable Electronics und das Internet der Dinge treiben die Suche nach Low-Power-Elektronik und Energy Harvesting auf Bauelement- oder Chip-Ebene voran. Forscher der AMO GmbH, der RWTH Aachen, der Chalmers University und der Bergischen Universität Wuppertal haben nun einen neuartigen flexiblen Energy Harvester entwickelt, der gute Aussichten für die Stromversorgung von tragbaren und konformen Geräten bietet.
Abbildung 1. Titelblatt von ACS Applied Electronic Materials, das die von Hemmetter und seinen Mitarbeitern realisierten Rectennas zeigt (Bild von Andreas Hemmetter).
Bei dem Bauelement handelt es sich um eine Rectenna, d.h. eine direkt mit einer Diode gekoppelte Antenne, die in der Lage ist, Strahlung zu erfassen und in einen Gleichstromausgang umzuwandeln. Rectennas, die im Mikrowellenbereich arbeiten, sind seit den sechziger Jahren dank der Verfügbarkeit von Schottky-Dioden mit einer ausreichend kurzen Ansprechzeit gut etabliert. Die Herausforderung besteht darin, das Funktionsprinzip von Rectennas auf höhere Frequenzbereiche – insbesondere Terahertz (THz) und optische Frequenzen – auszuweiten.
„Der Bereich zwischen 0,1 und 10 THz ist besonders interessant, weil es viele Anwendungen gibt, die in diesem Frequenzbereich arbeiten – von der Kommunikation über die Materialanalyse bis hin zu Überwachungsscreenings und biomedizinischen Analysen“, erklärt Andreas Hemmetter, Erstautor der Arbeit. „Unser Bauelement ist ein miniaturisierter, rauscharmer THz-Leistungsdetektor, der bis zu 0,17 THz arbeitet. Gleichzeitig arbeitet es aber auch als Energiesammler im gleichen Frequenzbereich, und zwar mit einer Leistung, die mit dem Stand der Technik konkurriert.“
Einer der großen Vorteile des von Hemmetter und seinen Mitarbeitern entwickelten Bauelements besteht darin, dass es auf einem flexiblen Dünnschichtsubstrat hergestellt werden kann, wodurch die Beschränkungen des Formfaktors von Silizium-Elektronikchips überwunden werden. Der Schlüssel dazu ist die Verwendung einer Metall-Isolator-Graphen-Diode (MIG). Die hohe Ladungsträgerbeweglichkeit und die Flexibilität von Graphen ermöglichen die Realisierung von Bauelementen, die eine hervorragende Gleichstromleistung mit hohen Grenzfrequenzen kombinieren, und das auf flexiblen Substraten.
Abbildung 2. Oben: Mikroskopische Aufnahme einer Rectenna auf Polyimid. Unten: Schematischer Querschnitt einer eindimensionalen MIG-Diode.
Genauer gesagt, nutzt die Gleichrichterdiode von Hemmetter und Mitarbeitern eine eindimensionale MIG-Diode, was bedeutet, dass der Übergangsbereich in der Diode nur die Dicke der Graphenschicht selbst hat, die etwa 0,3 nm beträgt (siehe Abb. 2). Diese Änderung der Geometrie im Vergleich zu herkömmlichen MIG-Dioden hat enorme Auswirkungen, da sie sowohl die Kapazität als auch den Widerstand der Sperrschicht verringert und so die Betriebsfrequenz und damit die Leistung der Gleichstromantenne erhöht.
Ein weiterer interessanter Aspekt der Arbeit ist, dass das für die Herstellung der Rectennas auf der Grundlage eindimensionaler MIG-Dioden entwickelte Verfahren skalierbar und mit der herkömmlichen Dünnschichttechnologie kompatibel ist – und das bei hohem Durchsatz.
„Unsere Ergebnisse sind sehr ermutigend“, sagt Zhenxing Wang, Leiter der Graphene Electronics Group bei AMO und korrespondierender Autor der Studie. „Sie weisen auf die Möglichkeit hin, Rectennas-Arrays als Stromversorgungen für tragbare Bauelemente oder selbstversorgende Sensoren zu verwenden“. Die Arbeit wurde als Open-Access-Publikation in ACS Applied Electronic Materials veröffentlicht.
Dieses Projekt wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union unter den Fördervereinbarungen Nr. 101006963 (GreEnergy), Nr. 881603 (Graphene Flagship) und Nr. 863337 (WiPLASH) gefördert. Diese Forschung wurde außerdem durch die DFG-Projekte HiPeDi (Nr. WA4139/1.1), GLECS-2 (Nr. NE1633/3) finanziell unterstützt.
Bibliographische Angaben:
Terahertz Rectennas on Flexible Substrates Based on One-Dimensional Metal–Insulator–Graphene Diodes
A. Hemmetter, X. Yang, Z. Wang, M. Otto, B. Uzlu, M. Andree, U. Pfeiffer, A. Vorobiev, J. Stake, M. C. Lemme, and D. Neumaier, ACS Appl. Electron. Mater. 2021, 3, 9, 3747–3753
https://doi.org/10.1021/acsaelm.1c00134
Cover picture: https://pubs.acs.org/pb-assets/images/_journalCovers/aaembp/aaembp_v003i009-2.jpg?0.8416792197273669
