26.10.2022

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.

Abb.: Der Versuchs­aufbau: Ein roter Laser wurde verwendet, um den...
Abb.: Der Versuchs­aufbau: Ein roter Laser wurde verwendet, um den Strahlengang von der Faser in den Lichtwellen­leiter und die Reflexion an einem Goldspiegel sichtbar zu machen. Die zwei Mikro­sonden kontaktieren den Fotoleiter. (Bild: Empa)

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

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