Eine ganze IR-Kamera auf einem Chip

Kurzwelliges Infrarotlicht, abgekürzt SWIR, ist für vieles nützlich: Es hilft, beschädigte Früchte auszu­sortieren, bei der Temperatur­über­wachung und der Kontrolle von Silizium­chips, und es ermöglicht Nacht­sicht­geräte mit scharfen Bildern. Doch SWIR-Kameras basieren bislang auf teurer Elektronik. Forscher der Empa, der EPFL, der ETH Zürich und der Universität Siena haben jetzt einen SWIR-Bildschirm entwickelt, der aus nur acht Schichten auf einer Glas­ober­fläche besteht. Das könnte Infrarot-Kameras zu nützlichen Alltags­gegen­ständen machen.

Den Forschern ist es gelungen, SWIR-Licht mit einem einzigen Bauteil einzufangen und sichtbar zu machen. Der an der Empa entwickelte Baustein ist im Grunde ein OLED-Display mit drei weiteren Zusatz­schichten. Das SWIR-Licht fällt durch eine elektrisch leit­fähige Glas­scheibe auf eine Farb­stoff­schicht in einem Photo­detektor. Dort beginnen Elektronen zu wandern – diese Wanderungs­bewegung wird durch eine elektrische Spannung verstärkt.

Die elektrischen Ladungen wandern dann in die OLED-Schicht und erzeugen dort einen grünen Licht­punkt. Eine elektro­nische Signal­ver­arbeitung durch einen Rechner ist nicht nötig: Das einfallende SWIR-Licht wird verstärkt und direkt auf dem Bildschirm angezeigt. Die Farbe des emit­tierten sicht­baren Lichts – blau, grün, gelb oder rot – lässt sich durch die Wahl des Farbstoffs in der OLED einstellen.

Der Schlüssel zum Erfolg für den neuen SWIR-Bildschirm sind spezielle Farbstoffe, die das Team schon länger erforschen: Squaraine – der Name stammt von der Grund­struktur des chemischen Moleküls, der Quadrat­säure. Diese Farbstoff­klasse wurde erstmals in den 1960er Jahren entdeckt und zeichnet sich durch tiefe Farbe und gute Temperatur­beständig­keit aus. Die Forscher veränderten die Quadrat­säure chemisch so, dass sie im Bereich des SWIR-Lichts absorbiert.

„Im Moment arbeiten wir mit Farb­stoffen, die bei knapp tausend Nanometer absorbieren“, sagt Roland Hany von der Empa. „Aber wir sind bereits dran, die Absorption zu größeren Wellen­längen, also weiter hinein in den IR-Bereich zu verschieben. Wenn uns dies gelingt, kann unser Sensor Wasser und Feuchtig­keit noch deutlich besser erkennen als jetzt.“

Empa / RK

Weitere Infos

• Originalarbeit
  K. Strassel et al.: Shortwave infrared-absorbing squaraine dyes for all-organic optical upconversion devices, Sci. Tech. Adv. Mat. 22, 194 (2021); DOI: 10.1080/14686996.2021.1891842
• Abt. Funktionspolymere, Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, Dübendorf, Schweiz