Weltkleinster NEMS-Sensor aus Graphen

| |
1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars

Das „Wundermaterial“ Graphen macht wieder einmal von sich reden. Diesmal als Material für hochgenaue Beschleunigungssensoren im Nanometerbereich.

Fünfzehn Jahre ist es nur her, dass die beiden späteren Nobelpreisträger Andre Geim und Konstantin Novoselov Graphenflocken mit einem Tesaband von einem Graphitblock ablösten. Was sie danach unter dem Mikroskop entdeckten, wurde später nicht selten als „Wundermaterial“ bezeichnet. Und das nicht ganz zu Unrecht, denn das perfekte zweidimensionale, hexagonale Gitter aus Kohlenstoffatomen ist extrem leicht und transparent, fester als Stahl, härter als Diamant, dabei so biegsam wie Gummi und es überrascht mit einer nahezu widerstandsfreien elektrischen Leitfähigkeit.

Kein Wunder also, dass ihm schnell „Futuristisches“ angedichtet wurden. Rollbare Mobilfunkgeräte, federleichte Flugzeuge, Raumschiffe mit Sonnenzellen, ultradünne Solarzellen und Prozessoren mit Mega-Taktfrequenzen – wenn der Boulevard sich einschaltet, ist eben nichts unmöglich.

Das Ei und die Henne

Bis zur Realisierung dürfte vieles davon noch eine ganze Weile dauern. Auch, weil das Henne-Ei-Problem besonders materialabhängige, innovative Technologien gerne bremst. Denn die Fertigung neuer Rohstoffe in genügend großen Mengen ist anfangs meist zu teuer. Für die Entwicklung von Anlagen, die das Problem lösen würden, ist jedoch die Nachfrage zu gering. Die wiederum steigt erst, wenn das Material günstiger ist.

So hat sich der Hype seit ein paar Jahren erst einmal beruhigt, nicht aber die Anstrengungen der Wissenschaftler aus den Erkenntnissen der jahrelangen und milliardenschweren Grundlagenforschung sinnvolle Produkte zu entwickeln.

NEMS-Sensor aus Graphen

Dazu gehört zum Beispiel der weltweit kleinste Beschleunigungssensor. Ein Team der Königlich Technischen Hochschule (KTH) in Stockholm und des Aachen Graphene & 2D Materials Centers – einem Konsortium der RWTH Aachen und der AMO GmbH – verwendeten dazu Graphen in einem nanoelektromechanischen System (NEMS).

Seit mehreren Jahrzehnten schon sorgen mikroelektromechanische Systeme (MEMS) für Innovationen in der Sensor- und den Medizintechnologie. Die nächste Entwicklungsstufe läuten nun nanoelektromechanische Systeme (NEMS) ein. In Kombination mit der außergewöhnlichen mechanischen Festigkeit, der ultradünnen Schichtstruktur und der exzellenten Leitfähigkeit von Graphen eröffnen sich viele neue Möglichkeiten für extrem kleine Beschleunigungssensoren. Etwa um bei Handys die Navigation zu optimieren, „Mobile Games“ realistischer zu gestalten oder Überwachungssysteme für Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu verbessern. Außerdem wären sie in sogenannten „Motion-Capture-Wearables“ denkbar, wo sie kleinste Bewegungen des menschlichen Körpers erfassen.

Das physikalische Prinzip dahinter ist auch ein alter Bekannter. Durch den piezoresistiven Effekt verändert nämlich das Material seinen Widerstand, wenn es einem Druck oder einer Dehnung ausgesetzt ist. Das funktioniert selbst in diesen „atomaren“ Größenordnungen erstaunlich genau.

Bereits in den letzten Jahren haben die Wissenschaftler das Potenzial von Graphenmembranen für Druck- und Hall-Sensoren und für Mikrophone bewiesen. Nun wird das Anwendungsspektrum durch Beschleunigungssensoren ergänzt. Um das Material in einigen Jahren zur Marktreife zu bringen, arbeitet das Team aktuell an industriekompatiblen Herstellungs- und Integrationsmethoden.

 

 

 

 

Beschleunigungssensor aus Graphen. (Bild: KTH).

Winziger Beschleunigungssensor aus Graphen. (Bild: KTH).