Graphen sorgt für Drahtlos-Turbo

Mit einem Graphenbauteil wollen Forscher der ETH Lausanne die drahtlose Kommunikation verbessern und beschleunigen. Drahtlostechnik gibt es heute in verschiedenen Spielarten wie WLAN, 4G und 5G, GPS-Empfänger oder Bluetooth, die zudem unterschiedliche Frequenzen verwenden.

Die meisten tragbaren Drahtlossysteme verfügen über Schaltkreise, die rekonfiguriert werden können, und es damit dem Device erlauben, auf verschiedenen Frequenzen zu operieren. Das Problem dabei: Derzeitige Techniken, basierend auf MEMS (mikro-elektro-mechanisches System) und Metalloxidhalbleitern (MOS; Metal Oxide Semiconductor), haben den Nachteil, dass sie nicht so gut bei hohen Frequenzen funktionieren. Gerade in diesem Spektrum sind aber hohe Datenübertragungsraten möglich.

Mit der Neuentwicklung aus Lausanne sollen die Beschränkungen herkömmlicher Verfahren überwunden werden. Die Lösung der EPFL basiert auf Graphen und wurde am Nanoelectronic Devices Laboratory der Hochschule entwickelt sowie dieser Tage im Fachblatt Nanoletters publiziert. Sie soll heutige einstellbare Kondensatoren, wie sie in allen drahtlosen Kommunikationsgeräten anzutreffen sind, ersetzen. Die Bauteile können die Schaltkreise auf unterschiedliche Frequenzen einstellen, sodass sie mit mehreren Bändern operieren können. Sie sind darüber hinaus mit traditionellen Schaltkreisen kompatibel.

Doch gegenüber den Vorgängern weisen sie weitere Vorteile auf. Sie benötigen sehr wenig Energie und sind bei Frequenzen über 2,1 GHz wesentlich performanter. Darüber hinaus sind sie viel kleiner als vergleichbare traditionelle Kondensatoren. «Die Oberfläche eines konventionellen MEMS müsste 1000-mal grösser sein, um den gleichen Kapazitätswert zu erreichen», meint Clara Moldovan von der ETH Lausanne und Hauptautorin des wissenschaftlichen Artikels.

Der Trick hinter der Lösung ist nicht nur das verwendete Material Graphen, sondern auch die spezielle Sandwich-Struktur. Dank dieser kann dieses besser in die elektronische Umgebung eingepasst werden.

«Die Frequenz lässt sich danach einstellen, indem eine elektrische Spannung an den Kondensator angelegt wird. Es verhält sich also wie ein Radio, mit dem man verschiedene Sender einstellen kann», erklärt Moldovan.