Graphen-basierende Photonik

In den letzten Jahren wurden im Bereich der Graphen-Forschung enorme Fortschritte erzielt. Die Aktivitäten konzentrierten sich dabei vor allem auf Anwendungen in der Elektronik. Graphen-basierte Photonik fand bisher eher weniger Beachtung, und das obwohl die optischen Eigenschaften von Graphen nicht weniger spektakulär sind als seine elektrischen. Die Absicht des vorgelegten Forschungsprogramms ist es deshalb Graphen als neuartiges Material in die Photonik einzuführen und auf Graphen basierte optoelektronische Bauelemente zu entwickeln. Dabei werden sämtliche Aspekte der modernen Photonik behandelt: die Erzeugung, Detektion und Modulation von Licht. Aufgrund der hohen Beweglichkeiten der Elektronen und Löcher eignet sich Graphen besonders für schnelle photonische Bauelemente - möglicherweise schneller als solche basierend auf Silizium oder III-V Halbleitern wie sie heute Verwendung finden. Hauptaugenmerk wird deshalb auf die Entwicklung schneller Optoelektronik (Photodetektoren, Modulatoren, usw.) für die optische Nachrichtentechnik gelegt. Da Graphen keine (oder nur eine kleine) Bandlücke besitzt eignet es sich auch besonders für Anwendungen im fernen- und mittleren-Infrarot Spektralbereich. Es könnte deshalb auch erlauben den gegenwärtigen technologischen Mangel an photonischen Bauelementen für diesen Spektralbereich zu beseitigen. Im Rahmen dieses Projektes werden untersucht: Graphen- basierte Photodetektoren für die optische Nachrichtentechnik, fern- und mittlere-Infrarot Emission von p-n Übergängen und Landau-Niveaus in Graphen, sowie schnelle optische Modulatoren. Wir werden auch die Möglichkeit einer Populationsinversion und "Lasing" untersuchen, sowie ultra-schnelle Ladungsträgerdynamik in Graphen studieren. Dieses Projekt wird sowohl die Graphen Bauelemente-Technologie vorantreiben, als auch neue Einblicke in die Ladungsträgerdynamik, optischen Eigenschaften, Energie-Niveaus und Vielteilcheneffekte in Graphen gewähren.

Zwei-dimensionale (2D) Materialen weisen starke Licht-Materie-Wechselwirkung auf - eine vielversprechende Eigenschaft für potentielle Anwendungen in der Optik und Photonik. Dieses Projekt beschäftigte sich mit der Realisierung neuartiger opto-elektronischer Bauelemente auf Basis von 2D Materialien. Diese Bauelemente basierten zunächst auf Graphen - einer ein-atomar dünnen Schicht Kohlenstoff - und später auf verwandten geschichteten Materialien, wie beispielsweise 2D Halbleitern. Im Rahmen dieses Projekts konnten wir erstmals das Potenzial von Graphen für die ultraschnelle Datenübertragung nachweisen; eine Anwendung die sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen Sub-Feld in der Graphen-Forschung entwickelt hat. Highlights auf dem Gebiet der 2D Halbleiter stellen die erstmalige Realisierung eines p-n Übergangs zur elektrisch getriebenen Lichtemission aus einem 2D Material, sowie der erstmalige Nachweis eines photovoltaischen Effekts in einer van der Waals Heterostruktur dar. In einer späteren Phase des Projekts weiteten wir unsere Untersuchungen auf ganze (opto-)elektronische Systeme aus. Unter anderem demonstrierten wir digital und analoge elektrische Schaltkreise und Systeme zu maschinellen Bilderkennung.