15.04.2020

Hybridmaterial als Breitband-Fotodetektor

Metallorganisches Gerüst zeigt gute Empfindlichkeit von Infrarot bis Ultraviolett.

Digitalkameras, aber auch viele andere elektronische Anwendungen benötigen licht­empfindliche Sensoren. Um den steigenden Bedarf an solchen optoelektronischen Bauteilen zu decken, sucht die Industrie nach neuen Halbleitermaterialien. Diese sollten nicht nur einen möglichst breiten Wellen­längen­bereich erfassen, sondern auch preisgünstig sein. Ein nun in Dresden entwickeltes Hybridmaterial erfüllt beide Anforderungen. Himani Arora, Physik-Doktorandin am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), wies nach, dass sich eine metallorganische Verbindung als Breitband-Fotodetektor verwenden lässt. Da es keine teuren Rohstoffe enthält, kann es in großen Mengen preisgünstig produziert werden. 

Abb.: Der Fotodetektor ist vollständig aus Schichten metall­organischer...
Abb.: Der Fotodetektor ist vollständig aus Schichten metall­organischer Gerüste aufgebaut. (Bild: HZDR / Juniks)

Metallorganische Gerüste (Metal-Organic Frameworks, MOFs) haben sich in den vergangenen zwanzig Jahren zu einem gefragten Material­system entwickelt. Die hochporösen Stoffe, die bis zu neunzig Prozent aus leerem Raum bestehen, werden bisher vor allem zur Speicherung von Gasen, zur Katalyse oder zur langsamen Freisetzung von Arzneimitteln im menschlichen Körper verwendet. „Die an der TU Dresden entwickelte metall­organische Gerüst­verbindung besteht aus einem organischen Material mit eingebauten Eisenionen“, erklärt Artur Erbe, Leiter der Arbeitsgruppe „Transport in Nanostrukturen“ am HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung. „Besonders daran ist, dass das Gerüst übereinanderliegende Schichten mit halbleitenden Eigenschaften bildet, was es für potentielle Anwendungen in der Opto­elektronik interessant macht.“

In der Arbeitsgruppe entstand die Idee, das neue halbleitende zweidimensionale MOF als Fotodetektor zu nutzen. Um diese Möglichkeit zu erforschen, nahm Himani Arora die elektronischen Eigenschaften des Halbleiters unter die Lupe. Sie untersuchte unter anderem, inwieweit die Lichtempfindlichkeit von Temperatur und Wellenlänge abhängig ist und kam zu einem vielversprechenden Ergebnis: Mit 400 bis 1575 Nanometer kann der Halbleiter einen breiten Wellen­längen­bereich des Lichts erfassen. Das Spektrum reicht somit von der Ultra­violett­strahlung bis ins nahe Infrarot. „Wir haben hier zum ersten Mal eine solche breitbandige Fotoreaktion für einen vollständig auf MOF-Schichten basierenden Fotodetektor nachgewiesen“, stellt die Doktorandin fest. „Das sind ideale Eigenschaften, um das Material als aktives Element in optoelektronischen Bauelementen zu nutzen.“

Welches Spektrum an Wellenlängen ein Halb­leiter­material erfassen und in elektrische Signale umwandeln kann, hängt im Wesentlichen von der Bandlücke ab. Je kleiner die Bandlücke, desto weniger Energie ist nötig, um ein Elektron anzuregen. „Weil bei dem von uns untersuchten Material die Bandlücke sehr klein ist, reicht schon eine geringe Lichtenergie zur Strominduktion aus“, erläutert Arora Himani. „Das erklärt den großen nutzbaren Spektralbereich.“

Durch Abkühlung des Detektors auf niedrigere Temperaturen lässt sich die Leistung noch verbessern, weil damit die thermische Anregung von Elektronen unterdrückt wird. Weitere Verbesserungen sind durch Optimierung der Bauteil­konfiguration, Herstellung zuverlässiger Kontakte und Weiter­entwicklung des Materials möglich. Die Ergebnisse deuten auf eine vielversprechende Zukunft für die MOF-basierte Fotodetektion hin. Aufgrund ihrer elektronischen Eigenschaften und der kostengünstigen Herstellung sind MOF-Schichten aussichtsreiche Kandidaten für eine Vielzahl von opto­elektronischen Anwendungen.

„Nächster Schritt ist die Skalierung der Schicht­dicke“, gibt Artur Erbe einen Ausblick. „In der Studie wurden 1,7 Mikrometer dicke MOF-Filme beim Aufbau des Fotodetektors verwendet. Für die Integration in Bauteile müssen diese wesentlich dünner sein.“ Ziel ist es, die über­einander­geschichteten Lagen möglichst auf siebzig Nanometer, also auf ein 25stel zu reduzieren. Bis zu dieser Schichtdicke sollte das Material noch vergleichbare Eigenschaften besitzen. Gelingt der Nachweis, dass die Funktionalität in einer deutlich dünneren Schicht erhalten bleibt, kann die Weiter­entwicklung bis hin zur Fertigungs­reife beginnen. 

HZDR / DE
 

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