TY  - THES
A3  - Haring Bolívar, Peter
AB  - Die heutige Digitalisierung wird maßgeblich durch die Vernetzung digitaler Komponenten und die Erhöhung der Rechenleistung ermöglicht. Dadurch entstanden in den letzten Jahrzehnten Anwendungen und Forschungen, die zuvor aufgrund der fehlenden Rechenleistung nicht möglich waren. Hierzu zählen unter anderem autonomes Fahren, Deep Learning und künstliche Intelligenz. Der stetige technische Fortschritt, der durch das Mooresche Gesetz beschrieben wird, lässt sich dabei maßgeblich auf die Miniaturisierung der Bauteile, wie z.B. Transistoren zurückführen. Dadurch steigt die Transistorendichte auf einem Prozessorkern und damit auch dessen Rechenleistung.
Die weitere Einhaltung des Mooreschen Gesetzes und damit der digitale Fortschritt, kann allerdings in Zukunft nicht mehr alleine durch Verkleinerung der Bauelemente geschehen. Schon heute stößt man an fundamentale physikalische Grenzen, wie zum Beispiel die Wärmeabfuhr, die eine weitere Miniaturisierung stark erschweren. Daher werden Alternativen benötigt um die Rechenleistung auch in Zukunft weiter zu erhöhen.
Eine Möglichkeit ist die massive Parallelisierung. Hierbei werden hunderte bis tausende Kerne parallel geschaltet um die Rechenleistung zu erhöhen. Allerdings sind bei der Kommunikation zwischen den Kernen klassische On-Chip Kommunikationsverfahren, wie BUS Systeme, ungeeignet, da diese nur begrenzt skalierbar ist. Eine Alternative dazu ist die kabellose Kommunikation als Schlüsseltechnologie für komplexe Architekturen. Neben der Skalierbarkeit besitzt diese Kommunikationstechnik auch die Möglichkeit der Rekonfiguration und Adaption an die aktuellen Anforderungen und eignet sich damit perfekt für agile Netzwerkarchitekturen. Dazu benötigt jeder Kern eine Antenne um Signale zu senden und die Signale anderer Kerne zu
empfangen.
Die Größe der Antenne spielt dabei eine entscheidende Rolle, denn durch die Miniaturisierung ist der Platz auf einem Kern sehr kostbar geworden. Klassische Metallantennen, die bei einem THz emittieren, besitzen dabei eine Länge, die in etwa 7000 mal so groß ist wie ein Transistorkanal und sind daher entschieden zu groß.
Bei Graphen hingegen besteht auf Grund der einzigartigen Materialeigenschaften ein grundlegend veränderter Zusammenhang zwischen Antennenlänge und Resonanzfrequenz. Dadurch können Antennen aus Graphen, bei gleicher Resonanzfrequenz, um bis zu zwei Größenordnungen kleiner sein als metallische Antennen. Die Integration von Graphen-Antennen in integrierte Schaltkreise eignet sich damit hervorragend um die On-Chip Kommunikation zu realisieren und damit die Rechenleistung zu steigern.
Die Erforschung, Beschreibung, Realisierung und Untersuchung dieser Antennen ist der Inhalt der vorliegenden Arbeit.
Nach der Einleitung folgen die theoretischen Grundlagen zur Beschreibung dieser Antennen. Hier werden zunächst einige wichtige Antennengrundlagen erklärt und danach die fundamentalen Beschreibungen von Plasmonen dargelegt. Anschließend folgt eine Beschreibung von Graphen. Das Kapitel schließt mit der theoretischen Behandlung von plasmonischen Graphen-Antennen.
Nach der Betrachtung des aktuellen Standes der Forschung werden die Mess- und Herstellungsmethoden erläutert. Zunächst wird dabei auf die Lithografie eingegangen, die zur Herstellung der Antennenstruktur verwendet wird. Als nächster Punkt folgt die Beschreibung des TDS-Messaufbaus, mit dem die Antennen vermessen wurden.
Als Nächstes folgen theoretische Betrachtung und Berechnungen zu den Materialanforderung von Graphen. Die Länge der Antenne ist von entscheidender Bedeutung.
Hierbei wird gezeigt, dass für eine funktionsfähige Graphen-Antenne eine gute Abstimmung zwischen Antennengeometrie und Materialqualität erfolgen muss.
Bei der technologischen Realisierung konnte nach einigen Herausforderungen ein stabiler Herstellungsprozess etabliert werden. Zur Charakterisierung von Graphen werden verschiedene Methoden betrachtet. Hierzu eignen sich elektrische Messungen mittels Wolframnadeln am REM, TDS-Transmissionsmessungen und Raman-Spektroskopie.
Nach der Herstellung und Charakterisierung von Graphen werden die Dipol-Antennen im TDS-Messaufbau vermessen. Bei den ersten Messungen wird gezeigt, dass neben dem Antenneneffekt auch Ladungsträger, die durch eine elektrische Vorspannung beschleunigt werden, zur THz-Emission beitragen.
Zur Minimierung des Einflusses dieses Effektes wurden Antennen in einer alternativen Geometrie (H-Struktur) hergestellt und vermessen. Hierbei konnte ein deutlicher Einfluss von Graphen auf die Amplitude der emittierten THz-Strahlung festgestellt werden. Der Ursprung dieses Signals ist die Konzentration des elektrischen Feldes, das durch die Vorspannung entsteht, zwischen den Antennenarmen. Diese Messungen zeigen die erste THz-Emission einer Graphen- Antennenstruktur.
Um die Materialqualität zu erhöhen wurden Proben hergestellt, bei denen entweder eine oder beide Seiten der Graphen-Antenne mit hBN bedeckt sind. Messungen an diesen Antennen zeigen eine deutlich verstärkte THz-Emission durch die Konzentration des elektrischen Feldes zwischen den beiden Antennenarmen.
Abschließend werden diverse Möglichkeiten dargestellt um die Emission der Graphenantenne zu steigern. Hierbei gibt es sowohl Möglichkeiten den Probenaufbau und die Geometrie, als auch externe Einflüsse, wie Dotierung und Temperatur zu verändern.
Im abschließenden Fazit folgt eine kritische Diskussion der theoretischen und praktischen Ergebnisse dieser Arbeit und eine Einordnung in mögliche Forschungs- und Anwendungsfelder.
Diese Arbeit zeigt die erste THz Emission einer Graphen-Antennenstruktur und bietet ausführliche theoretische, technologische und experimentelle Ergebnisse, die zur Realisierung einer funktionsfähigen Graphen-Antenne benötigt werden.
AU  - Süßmeier, Christoph
DA  - 2020
DO  - 10.25819/ubsi/6794
KW  - Plasmon
KW  - Graphene antenna
KW  - THz radiation
KW  - Zeitbereichs-Spektroskopie
LA  - ger
PY  - 2020
TI  - Realisierung einer Graphen-basierten plasmonischen Antenne zur Kommunikation im THz-Bereich
TT  - Realization of a graphene-based plasmonic antenna for communication in the THz-range
UR  - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:467-17550
Y2  - 2024-11-21T20:20:29
ER  -