»Ich konnte als erster zeigen, dass Graphen als aktives Elektrodenmaterial verwendet werden kann.«

Forscher Marius Knapp spricht über seine Dissertation und seine Arbeit am IAF

Marius Knapp ist Promovend am Fraunhofer IAF.
© Fraunhofer IAF

Marius Knapp ist Promovend am Fraunhofer IAF.

Graphene wird per Wasserbad auf Aluminiumnitrid transferiert.
© Fraunhofer IAF

Graphene wird per Wasserbad auf Aluminiumnitrid transferiert.

Charakterisierung von Resonatoren mit Graphenelektroden.
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Charakterisierung von Resonatoren mit Graphenelektroden.

Worum geht es in deiner Dissertation?

Das Thema meiner Arbeit war das neue Material Graphen, eine zweidimensionale Kohlenstoffstruktur, welches als Elektrode für Volumenwellen-Filter, wie sie zum Beispiel in Smartphones und anderen Mobile Devices verwendet werden, eine Minimierung von mechanischen Verlusten erreicht.

»Meine Arbeit ist innovativ, weil ich das erste Mal zeigen konnte, dass Graphen auch als aktives Elektrodenmaterial verwendet werden kann.«

Ich habe drei große Arbeitsschritte näher untersucht: Erstens die Synthese, also die Herstellung des Graphens mittels Niedrigdruck-CVD. Zweitens den Transfer des auf Kupfersubstrat gewachsenen Graphens auf ein isolierendes Material, in meinem Fall Aluminiumnitrid, dessen Eigenschaft als piezoelektrisches Material für Volumenwellen-Resonatoren essentiell ist. Und drittens die Anwendung von Graphen in einem funktionierenden Bauteil – eine Resonatorstruktur, die für Hochfrequenzfilter in der drahtlosen Kommunikation genutzt wird.

 

Was ist das Originelle an deiner Arbeit?

Momentan werden in Filtern schon einige andere Materialien als Elektrode eingesetzt, zumeist Metalle. Diese sind sehr leitfähig, aber auch sehr schwer und wirken sich damit auf die Effizienz durch massebehaftete Verluste aus. Wenn man die Masse verringern will, kann man das Metall dünner machen. Dann steigen aber die Verluste sehr schnell an. Die Idee bei Graphen ist, dass es eine sehr gute Leitfähigkeit aufweist, aber deutlich weniger Masse besitzt. Wenn wir also energieeffizienter werden und die Elektrodenverluste verringern wollen, ist Graphen ein ideales Material. Außerdem ist Graphen biokompatibel. Metalle können zwar auch recyclet werden, aber Graphen ist eben einfach nur Kohlenstoff und somit umweltfreundlicher.

 

What war für dich das Highlight während deiner Promotion?

Es gab sogar mehrere. Zum einen, als ich gesehen habe, dass ich Graphen zum ersten Mal selbst auf Kupferfolie gewachsen habe. Das Thema wurde zu der Zeit am IAF ganz neu etabliert und die genauen Prozesse waren uns noch nicht geläufig. Das zweite Highlight war, als ich Graphen zum ersten Mal auf Aluminiumnitrid transferieren konnte. Wir transferieren das Graphen über eine Art Wasserbad, und es war faszinierend zu sehen, wie dieses zweidimensionale Material auf dem Wasser schwimmt und dass letztlich eine atomar dünne Schicht tatsächlich leitfähig ist.

»Das große Highlight kam dann gegen Ende der Arbeit, als ich einen Resonator mit Graphen als Elektrodenmaterial aufgebaut hatte – als ich gesehen habe,  dass der Resonator  sein charakteristisches Admittanzverhalten zeigt, und Graphen hauptverantwortlich für eine Steigerung der Effizienzparameter ist. Das war ein echter Quantensprung für mich.«

 

Welchen Rat würdest du anderen geben, die promovieren möchten?

Meistens beginnt man ein Thema, das ganz neu ist und wo wenig Erfahrung besteht. Das ist aufregend und interessant. Sicherlich gibt es dann auch immer schwierige Situationen. Was ich aber als Mutmacher sehe, ist, dass man hier im Kollegenkreis jederzeit Unterstützung findet. Man kann immer Fragen stellen. Man sollte sich selbst auch keinen überzogenen Druck machen.

»Was mich sehr gepusht hat, war die erste Veröffentlichung. Diese wurde auch international anerkannt und das hat mir einen riesen Schub gegeben. Die erste Teilnahme an einer internationalen Konferenz war zudem spannend, da man dort auch mal seine eigene Arbeit außerhalb des Instituts promoten darf.«

 

Wie hast du das Fraunhofer IAF als Arbeitsplatz ausgesucht?

Nach der Diplomatrbeit war ich noch nicht sicher, ob ich promovieren möchte oder direkt in die Industrie einsteigen will. Ich habe mich für beides beworben. An der Uni wollte ich nicht promovieren, weil ich die Wirtschaftsnähe gesucht habe und die angewandte Forschung verfolgen wollte. Am IAF hat mich das Thema gereizt, da mir Graphen bisher eher unbekannt war. Beim Bewerbungsgespräch hatte ich direkt einen guten Draht zu den Kolleginnen und Kollegen. Und dann hat mir die Idee gefallen, noch einmal drei oder vier Jahre in die Forschung zu schnuppern. Jetzt bin ich an dem Punkt, dass ich mich nicht als den klassischen Forscher sehe, sondern doch den Schritt in die Wirtschaft machen möchte. Um das herauszufinden, war die Promotion ideal, denn sie hat mich durch die angewandten Projekte auf das Arbeiten in der Wirtschaft vorbereitet..

Marius Knapp schrieb seine Dissertation über »Graphene - from Synthesis to the Application as a Virtually Massless Electrode Material for Bulk Acoustic Wave Resonators« am Fraunhofer IAF. Er ist der erste, der Graphen in dieser Anwendung untersucht. Die Verteidigung seiner Dissertation ist für Januar 2019 geplant.

 

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