Kategorie: ‘Energie und Umwelt’
Neue Veröffentlichung von Professor Lemme, Kolleginnen und Kollegen
Portrait von Prof. Lemme (© JRF)
Die Achillesferse der zweidimensionalen Transistoren heilen
Stabilität – im Sinne eines stabilen Betriebs über die gesamte Lebensdauer – ist eine der wichtigsten Eigenschaften, die ein elektronisches Bauelement aufweisen muss, um für Anwendungen geeignet zu sein. Und sie ist die Achillesferse von Transistoren auf Basis zweidimensionaler Materialien, die typischerweise eine wesentlich schlechtere Stabilität aufweisen als Bauelemente auf Siliziumbasis. Ein Team von Forschern der TU Wien, der AMO GmbH, der RWTH Aachen und der Bergischen Universität Wuppertal hat nun einen neuartigen, technischen Ansatz zur Verbesserung der elektrischen Stabilität von zweidimensionalen Transistoren durch sorgfältige Abstimmung der Fermi-Energie vorgestellt. Die Ergebnisse wurden in der Nature Electronics veröffentlicht.
Heute besteht kaum noch ein Zweifel daran, dass Bauelemente auf der Basis von Graphen und anderen zweidimensionalen (2D) Materialien dank ihrer Eigenschaften den Stand der Technik für bestimmte Anwendungen übertreffen können. Zweidimensionale Materialien gelten auch als einige der aussichtsreichsten Kandidaten für die Realisierung von Transistoren in Endgröße am Ende des Fahrplans der Siliziumtechnologie. Allerdings weisen Bauelemente, die auf 2D-Materialien basieren, oft eine schlechte elektrische Stabilität auf, d. h. ihr Verhalten ändert sich je nach Betriebsverlauf.
„Die Zuverlässigkeit von Bauteilen ist ein Aspekt, der in der Forschung oft vernachlässigt wird. Genau daran arbeiten wir seit einigen Jahren, denn sie ist für die Anwendung von zentraler Bedeutung“, erklärt Professor Max Lemme, wissenschaftlicher Direktor der AMO GmbH und Leiter des Lehrstuhls für Elektronische Bauelemente an der RWTH. Die Instabilität wird nicht nur durch die 2D-Materialien selbst verursacht, sondern vor allem durch Ladungen, die in den Oxid-Isolator eingeschlossen sind, der zur Herstellung der Transistoren verwendet wird. „Idealerweise würde man einen anderen Isolator mit weniger Ladungsfallen verwenden“, sagt Lemme, „aber dafür gibt es noch keine skalierbaren Lösungen. In unserer Arbeit haben wir stattdessen gezeigt, dass es möglich ist, einen Standardisolator wie Aluminiumoxid zu verwenden und die nachteiligen Auswirkungen der Ladungsfallen im Oxid deutlich zu unterdrücken, indem man die Ladungsträgerdichte im 2D-Material anpasst.“
© Martin Braun
Die Arbeit kombiniert eine gründliche theoretische Analyse des neuartigen Ansatzes – den die Autoren als „stabilitätsbasiertes Design“ bezeichnen – mit einer prinzipiellen Demonstration des Konzepts, das durch die Messung verschiedener Arten von FETs auf Graphenbasis erfolgt. Der Kerngedanke des Ansatzes besteht darin, die Kombination aus 2D-Material und Isolator so zu gestalten, dass sich die Energie der Ladungsfallen im Isolator so weit wie möglich von der Energie der Ladungsträger im 2D-Material unterscheidet. Lemme erklärt: „Graphen-basierte FETs waren das ideale Testfeld für unseren Ansatz, da es relativ einfach ist, die Energie der Ladungsträger in Graphen einzustellen. Der Ansatz ist jedoch auf alle FETs anwendbar, die auf 2D-Halbleitern basieren.“ Diese Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu stabilen und zuverlässigen Transistoren aus 2D-Materialien, die in die Halbleitertechnologie integriert werden können.
Bibliographische Informationen:
T. Knobloch, B. Uzlu, Y. Yu. I.llarionov, Z. Wang, M. Otto, L. Filipovic, M. Waltl, D. Neumaier, M. C. Lemme, T. Grasser, Improving stability in two-dimensional transistors with amorphous gate oxides by Fermi-level tuning, Nature Electronics (2022) – Open Access
DOI: 10.1038/s41928-022-00768-0
Kontakt:
Prof. Max C. Lemme
AMO GmbH
lemme@amo.de
RWTH bündelt Stärken zum Thema Kreislaufwirtschaft
Die RWTH Aachen bündelt mit der Gründung des Centers for Circular Economy (CCE) ihre Stärken im Bereich des Themenfeldes Kreislaufwirtschaft. Unter den neun Fakultäten der Exzellenzuni ist auch die Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik beteiligt.
Die ausgeprägten technologischen und ökologischen Kompetenzen der Universität im Bereich des Recyclings von Materialien wie Metallen, Mineralien, Textilien, Kunststoffen, Wasser und Kohlenstoffen werden durch das CEE auf eine neue Plattform aufgewertet, wobei hierbei auch Institute für Soziales, Wirtschaft, Wissenschaft und Digitalisierung integriert sind.
„Die RWTH kann das bereits starke Netzwerk bei der Entwicklung innovativer Lösungen für die Schaffung zukunftsfähiger Geschäftsmodelle weiter ausbauen.“
– Professor Bernd Friedrich, Sprecher des Centers und Leiter des Instituts für Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling (IME)
Die Kreislaufwirtschaft umfasst nahezu alle gesellschaftlichen und wissenschaftlichen Bereiche, von der Rohstoffgewinnung bis zum Ende der Nutzung von Konsumgütern. Es zielt darauf ab, den Wert von Gütern und Anwendungen nach der Primär- oder sogar Sekundärnutzung durch Umdenken, Reduzierung, Wiederverwendung, Reparatur, Aufbereitung, Rückgewinnung und Teilrecycling so gut wie möglich zu erhalten.
„Es ist wichtiger denn je, Produkte, Waren und Materialien von Anfang an so zu gestalten, dass eine möglichst hohe Zirkulation erreicht wird. Nur diese ganzheitliche Betrachtung verschiedener Faktoren kann dazu führen, dass Produktkreisläufe geschlossen werden und man zusätzliche alternative Lebenswege ermöglicht.“
– Professor Bernd Friedrich, Sprecher des Centers und Leiter des Instituts für Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling (IME)
Das könne aber nur im Zusammenspiel von Bürgerinnen und Bürgern, Politik, Wirtschaft und Forschung gelingen.
„Das Thema Kreislaufwirtschaft steht bereits seit Jahrzehnten in direktem oder indirektem Bezug zu Projekten an der RWTH. Angesichts der bestehenden globalen Herausforderung ist es geboten, Synergien zu nutzen und das innerhalb der Universität verteilte Wissen systematisch anzuwenden und unter einem Dach zu vereinen.“
– Professor Ulrich Rüdiger, RWTH-Rektor
Erste Großprojekte zielen darauf ab, Abfälle zu minimieren, den Wert von Kreislaufmaterialien zu maximieren, politische Rahmenbedingungen mitzugestalten und deren Akzeptanz in der Gesellschaft zu ermöglichen. Dies geschieht auf regionaler, nationaler und internationaler Ebene, einschließlich gezielter Lehre.
(Original Artikel Pressestelle RWTH)
Mehr Diversität in der Wissenschaft – Prof. Monti als Scout im Henriette Herz-Scouting-Programm
Mit dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung finanzierten Henriette Herz-Scouting-Programm soll das Netzwerk der Alexander von Humboldt-Stiftung ausgebaut und diverser gemacht werden. Als Scouts werden sowohl aufsteigende Wissenschaftler*innen, die erst vor kurzem eine (Junior-)Professur oder eine Gruppenleitung übernommen haben als auch etablierte und erfahrene Forschende ausgewählt, die über ein internationales Netzwerk verfügen. Das Programm ermöglicht den Scouts, bis zu drei Wissenschaftler*innen auszusuchen, die dann direkt ein Stipendium erhalten. Das erste soll an eine Forscherin gehen.
Ziel ist es, internationale Forschende aus dem Ausland, die für eine Bewerbung bei der Humboldt-Stiftung und einen Forschungsaufenthalt in Deutschland bisher nicht in Frage gekommen sind, gezielt anzusprechen und sie zur Durchführung gemeinsamer Forschungsvorhaben an ihre Einrichtungen einzuladen. Mit dem Programm werden so fachlich und regional neue Kooperationspartner*innen für Deutschland gewonnen. Gleichzeitig soll der Anteil der im Humboldt-Forschungsstipendienprogramm geförderten Frauen erhöht werden.
Wir freuen uns sehr darüber, dass Prof. Antonello Monti für das Henriette Herz Scouting Programm ausgewählt wurde.
„The program offers us the possibility to increase our international cooperation by creating new links with universities that are not currently working with us.
What is extremely interesting about this program is the possibility to be really fast in offering the scholarship. By skipping the standard review process, the time between identification of candidates to the start of the scholarship becomes extremely short.“ – Prof. Monti
E.ON und RWTH verlängern Kooperationsvertrag Erfolgreiche Arbeit des E.ON Energy Research Centers wird weiter gefördert
E.ON wird die erfolgreiche Zusammenarbeit mit der RWTH Aachen fortführen und hat den bestehenden Kooperationsvertrag um weitere fünf Jahre verlängert. Professor Rik W. De Doncker, der das E.ON ERC seit der Gründung vor 15 Jahren als Direktor leitet, ist besonders dankbar für den schnellen Ausbau der Infrastruktur und die weltweite Anerkennung, die sich das Center in vergleichsweise kurzer Zeit erarbeiten konnte:
Ohne die Unterstützung durch E.ON hätten wir unser Energieforschungszentrum nicht so schnell aufbauen und zu einem erfolgreichen und wichtigen Bestandteil der internationalen Forschergemeinschaft machen können. Das gilt für die herausragenden baulichen Gegebenheiten ebenso wie für die intensive Zusammenarbeit mit namhaften Wissenschaftlern auf allen Kontinenten. – Professor Rik W. De Doncker
Für eine erfolgreiche Umsetzung der Energiewende ist Forschung unverzichtbar. Beispiele aus der Elektromobilität, aus der Photovoltaik oder der Speichertechnik zeigen eindrucksvoll, welche Fortschritte allein in den vergangenen 15 Jahren erzielt werden konnten. An vielen dieser Fortschritte waren und sind die RWTH Aachen und auch das E.ON ERC mit seinen inzwischen sieben Lehrstühlen direkt oder indirekt beteiligt. Dabei können die Forschenden auf ein weitverzweigtes und stetig weiter wachsendes Netzwerk von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unterschiedlichster Fachrichtungen aus aller Welt zurückgreifen. Denn komplexe Herausforderungen wie sie zum Beispiel mit der Energiewende verbunden sind, lassen sich nur noch arbeitsteilig bewältigen.
CARL – Interdisziplinäre Forschungseinrichtung in Aachen
Urheber: KSG
An der RWTH entsteht derzeit ein Zentrum zur grundlegenden Erforschung der Alterung von Batteriematerialien und leistungselektronischen Systemen. Beim „Center for Ageing, Reliability and Lifetime Prediction of Electrochemical and Power Electronic Systems“, kurz CARL, handelt es sich um eine interdisziplinäre Forschungseinrichtung, an der Mitarbeiter*innen von zehn Kernprofessuren und rund 20 weiteren Lehrstühlen und Instituten der RWTH und des Forschungszentrums Jülich wegweisende Forschung betreiben können. Darunter befinden sich Wissenschaftler*innen und der Disziplinen Chemie, Physik, Mathematik, Informatik oder Materialwissenschaft, Maschinenbau und Elektrotechnik. Die Frage der Lebensdauer steht im Mittelpunkt, wenn es um die Betrachtung der Wirtschaftlichkeit geht. Z.B. ist dies wichtig für Autohersteller, Abschreibungszeiträume, Garantieleistungen und um Zuverlässigkeit als Teil der funktionalen Sicherheit einschätzen zu können.
Kompetenzcluster Batterienutzungskonzepte (BattNutzung)
Urheber: ISEA
Mit der weiteren Verbreitung der erneuerbaren Energien und der Elektromobilität gewinnen leistungsfähige und zuverlässige Energiespeicher immer weiter an Bedeutung. Wann ist die Zweitnutzung von Batteriespeichern möglich und für welche Anwendungen ist sie sinnvoll? Dieser Frage gehen die Projektpartner*innen aus Forschung und Industrie des neuen Clusters Batterienutzungskonzepte (BattNutzung) nach, welches mit rund 20 Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung gefördert wird. Koordiniert wird das Cluster von Prof. Sauer vom ISEA. Gemeinsam mit dem Kompetenzcluster greenBatt, welcher die Grundlagen für das nachhaltige Recycling von Batterien und Rohstoffen sowie die Schließung von Stoff- und Materialkreisläufen im Batterielebenszyklus schafft, bildet der Cluster BattNutzung die Querschnittsinitiative „Batterielebenszyklus“ Diese strebt eine ganzheitliche Betrachtung von Zweitnutzungs- und Recyclingkonzepten an, welche durch die Vernetzung der beiden Cluster und einen clusterübergreifenden Austausch ermöglicht werden soll.
Professor Dirk Uwe Sauer ist neues Mitglied der Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaft
Professor Dirk Uwe Sauer ist neues Mitglied der Fach- und Ländergrenzen überschreitenden Berlin-Brandenburgischen Akademie der Wissenschaft. Seit über 300 Jahren vereint die Akademie herausragende Wissenschaftler*innen, unter denen rückblickend auch 80 Nobelpresträger*innen zu finden waren. Professor Sauers Aufnahme erfolgt in der technikwissenschaftlichen Klasse der Akademie. An unserer Fakultät ist Professor Sauer Inhaber des Lehrstuhls für Elektrochemische Energiewandlung und Speichersystemtechnik. Sein Lehrstuhl ist integraler Bestandteil des Instituts für Stromrichtertechnik und Elektrische Antriebe (ISEA), des Institute for Power Generation and Storage Systems (PGS) sowie des gemeinsamen Helmholtz-Instituts HIMS mit dem Forschungszentrum Jülich und der Universität Münster. Mit seinen Arbeiten treibt Dirk Uwe Sauer das mit einem großen Anwendungsbezug verbundene Themengebiet der Batterieforschung in Deutschland maßgeblich voran. Neben seinen eigentlichen Forschungen hat er auch stets die Gesamtübersicht zukünftiger Energiesysteme im Blick, sodass er alternative Technologien entlang der Zeitachse, wie z. B. Wasserstoff gegenüber Batterietechnologien, sorgsam bewerten kann. Seine Expertise macht ihn ebenfalls zu einem gefragten Berater der Politik: So ist er Mitglied der nationalen Plattform Elektromobilität und Plattform für Mobilität der Bundesregierung und gehört dem Beirat Batterieforschung des BMBF an.
Weiterführende Informationen:
Wie Katalysatoren aktiver werden
Forschende aus Jülich, Aachen, Stanford und Berkeley haben den schichtweisen Aufbau eines Katalysatormaterials untersucht. Dabei haben Sie herausgefunden, dass eine Oberflächenschicht, die so dünn wie ein einiges Atom ist, die Aktivität für die Reaktion der Wasserspaltung verdoppeln kann – ohne dass sich dabei der Energiebedarf erhöht. Damit verdoppelt sich ebenfalls die Menge des produzierten Wasserstoffs.
Die Wissenschaftler hoffen, dass durch dieses erweiterte Verständnis in Zukunft bessere Katalysatoren entwickelt werden können, um grünen Wasserstoff energieeffizienter und damit kostengünstiger herzustellen als bisher. Als grün wird Wasserstoff bezeichnet, wenn es durch die Elektrolyse von Wasser klimaneutral mit Strom aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird. Wasserstoff gilt als wesentlicher Baustein der Energiewende, unter anderem, weil er Wind- und Sonnenenergie in Zeiten des Überangebots speichern und später wieder freisetzen kann.
Ein Teil der Forschungsergebnisse kam im Peter-Grünberg-Institut, Bereich Elektronische Materialen, im Electronic Oxide Cluster Labor von Professor Regina Dittmann zustande.
Originalpublikation: ‚Tuning electrochemically driven surface transformation in atomically flat LaNiO3 thin films for enhanced water electrolysis‘
C. Baeumer, J. Li, Q. Lu, A. Liang, L. Jin, H. Martins, T. Duchoň, M. Glöß, S. M. Gericke, M. A. Wohlgemuth, M. Giesen, E. E. Penn, R. Dittmann, F. Gunkel, R. Waser, M. Bajdich, S. Nemšák, J. T. Mefford, W. C. Chueh
Nature Materials, 11 January 2021, DOI: 10.1038/s41563-020-00877-1
Weitere Informationen erhalten Sie auf der Webseite des Forschungszentrums Jülich
5 Jahre Helmholtz Institut Münster „Center for Ageing, Reliability and Lifetime Prediction of Electrochemical and Power Electronic Systems“ (CARL)
Leistungsfähige Batterietechnologie ist ein Kernelement, das uns in vielen alltäglichen Anwendungen zu Gute kommt. Von Smartphones bis zu kabellosen Arbeitsgeräten und Elektrofahrzeugen – Batterien bestimmen in immer höheren Maßen unser Leben.
Etwa 2012 wurde die Idee geboren, die Expertise des Forschungszentrums Jülich, der RWTH Aachen und der Universität Münster in der Batterieforschung zu bündeln. Vor nunmehr 5 Jahren wurde somit das Helmholtz-Institut Münster „Ionics in Energy Storage“ gegründet, welches nun angesehener Bestandteil der Batterieforschungslandschaft geworden ist und dazu führt, dass die Forschungsinfrastrukturen an den verschiedenen Standorten stetig weiterentwickelt werden können. In Aachen äußert sich dies durch den Bau des „Center for Ageing, Reliability and Lifetime Prediction for Electrochemical and Power Electronic Systems (CARL)“.
Weitere Informationen finden Sie im aktuellen Newsletter des ISEA
Hybrid Provision of Energy based on Reliabilty and Resiliancy via Integration of Dc Equipment
Das Projekt HYPERRIDE startete am 1. Oktober 2020. Das auf vier Jahre angelegte Projekt trägt zur Feldimplementierung von DC- und hybriden AC-DC-Netzen bei. Es wird aktiv Lösungen zur Überwindung von Hindernissen für eine erfolgreiche Einführung neuer Infrastrukturkonzepte in ganz Europa identifizieren und bereitstellen.
Das Institute for Automation of Complex Power Systems (ACS) wird seine Arbeit auf die Entwicklung von Automatisierungsdienstleistungen für das hybride AC/DC-Netz konzentrieren. Der Fokus liegt hierbei auf dem optimalen Leistungsfluss und dem Fehlermanagement sowie auf der Realisierung einer speziell auf die Gleichstromtechnik ausgerichteten Messeinrichtung: die DC Measurement Unit (DMU).
Diese Lösungen werden in die offene ICT-Plattform integriert, die speziell auf die Integration mit hybriden AC/DC-Verteilungssystemen zugeschnitten ist und unter anderem auf dem Demo-Gelände des RWTH Aachen Campus Melaten getestet.
Weitere Infos auf der Webseite des Institute for Automation of Complex Power Systems
