Infrarot-Detektor auf einem Chip
Miniaturisierung auf der Basis eines Quantenpunkt-Photodetektors.
Die weitere Miniaturisierung von Infrarot-Detektoren ist entscheidend für ihre Integration in die nächste Generation von Unterhaltungselektronik, Wearables und Kleinstsatelliten. Bislang waren IR-Detektoren jedoch auf sperrige und teure Materialien und Technologien angewiesen. Einem Team von Wissenschaftlern unter der Leitung des Empa-Forschers Ivan Shorubalko ist es nun gelungen, ein kostengünstiges Miniaturisierungsverfahren für IR-Spektrometer auf Basis eines Quantenpunkt-Photodetektors zu entwickeln, das auf einem einzigen Chip integriert werden kann.
Die Miniaturisierung von Infrarotspektrometern ermöglicht einen breiteren Einsatz in der Konsumgüterelektronik, etwa in Smartphones zur Lebensmittelkontrolle, zum Nachweis gefährlicher Chemikalien, zur Überwachung der Luftverschmutzung oder in tragbaren elektronischen Geräten. Sie können für den schnellen und einfachen Nachweis bestimmter Chemikalien verwendet werden, ohne dass eine Laborausrüstung erforderlich ist. Darüber hinaus können sie für den Nachweis gefälschter Medikamente und von Treibhausgasen wie Methan und CO2 nützlich sein.
Die Forschergruppe der Empa, der ETH Zürich, der EPFL, der Universidad de Salamanca, der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der Universität Basel hat nun den ersten Prototypen eines miniaturisierten Fourier-Transformations-Wellenleiterspektrometers gebaut, das einen Subwellenlängen-Photodetektor als Lichtsensor enthält; dieser besteht aus kolloidalen Quantenpunkten aus Quecksilbertellurid (HgTe) und ist kompatibel mit komplementärer Metalloxid-Halbleitertechnologie (CMOS).
Das neue Spektrometer weist eine große spektrale Bandbreite und eine moderate spektrale Auflösung von 50 cm-1 bei einem winzigen, aktiven Gesamtvolumen des Spektrometers mit einem Zehntel Millimeter Kantenlänge auf. Dieses ultrakompakte Design des Spektrometers ermöglicht es, optisch-analytische Messinstrumente relativ schnell und einfach in Unterhaltungselektronik und Raumfahrtgeräte zu integrieren. „Die monolithische Integration von IR-Photodetektoren im Subwellenlängenbereich hat enorme Auswirkungen auf die Skalierung von Fourier-Transformations-Wellenleiterspektrometern“, so Empa-Forscher Ivan Shorubalko. „Unser Design könnte aber auch für miniaturisierte Raman-Spektrometer, für Biosensoren und Lab-on-a-Chip-Geräte sowie für die Entwicklung hochauflösender Hyperspektralkameras von Interesse sein.“
Empa / JOL
